氮化鎵(GaN)接替硅，能給電源設(shè)計(jì)帶來什么變化？

在所有電力電子應(yīng)用中，功率密度是關(guān)鍵指標(biāo)之一，這主要由更高能效和更高開關(guān)頻率驅(qū)動。隨著基于硅的技術(shù)接近其發(fā)展極限，設(shè)計(jì)工程師現(xiàn)在正尋求寬禁帶技術(shù)如氮化鎵(GaN)來提供方案。

對于新技術(shù)而言，GaN本質(zhì)上比其將取代的技術(shù)(硅)成本低。GaN器件與硅器件是在同一工廠用相同的制造程序生產(chǎn)出。因此，由于GaN器件小于等效硅器件，因此每個晶片可以生產(chǎn)更多的器件，從而降低了每個晶片的成本。

GaN有許多性能優(yōu)勢，包括遠(yuǎn)高于硅的電子遷移率(3.4eV對比1.1eV)，這使其具有比硅高1000倍的電子傳導(dǎo)效率的潛力。值得注意的是，GaN的門極電荷(QG)較低，并且由于必須在每個開關(guān)周期內(nèi)對其進(jìn)行補(bǔ)充，因此GaN能夠以高達(dá)1 MHz的頻率工作，效率不會降低，而硅則難以達(dá)到100 kHz以上。此外，與硅不同，GaN沒有體二極管，其在AlGaN / GaN邊界表面的2DEG可以沿相反方向傳導(dǎo)電流(稱為“第三象限”操作)。因此，GaN沒有反向恢復(fù)電荷(QRR)，使其非常適合硬開關(guān)應(yīng)用。

圖1：GaN經(jīng)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)快速開關(guān)

GaN確實(shí)具有有限的雪崩能力，并且比硅更容易受到過電壓的影響，因此極其適用于漏-源電壓(VDS)鉗位在軌電壓的半橋拓?fù)?。無體二極管使GaN成為硬開關(guān)圖騰柱功率因數(shù)校正(PFC)的很好的選擇，并且GaN也非常適用于零電壓開關(guān)(ZVS)應(yīng)用，包括諧振LLC和有源鉗位反激。

45 W至65 W功率水平的快速充電適配器將得益于基于GaN的有源鉗位反激，而基于LLC的GaN用于150 W至300 W的高端筆記本電腦電源適配器中，例如用于游戲的筆記本電腦。在這些應(yīng)用中，使用GaN技術(shù)可使功率密度增加一倍，從而使適配器更小、更輕。特別地，相關(guān)的磁性元器件能夠減小尺寸。例如，電源變壓器內(nèi)核的尺寸可從RM10減小為RM8的薄型或平面設(shè)計(jì)。因此，在許多應(yīng)用中，功率密度增加了一倍甚至三倍，達(dá)30 W / in3。

在更高功率的應(yīng)用中，例如為服務(wù)器、云和電信系統(tǒng)供電的電源，尤其是基于圖騰柱PFC的電源，采用GaN可使能效超過99%。這使這些系統(tǒng)能夠滿足最重要的(和嚴(yán)格的)能效標(biāo)準(zhǔn)，如80+ titanium。

驅(qū)動GaN器件的方法對于保護(hù)相對敏感的柵極氧化物至關(guān)重要。在器件導(dǎo)通期間提供精確調(diào)節(jié)的門極驅(qū)動幅值尤為重要。實(shí)現(xiàn)此目的的一種方法是添加低壓降穩(wěn)壓器(LDO)到現(xiàn)有的硅MOSFET門極驅(qū)動器中。但這會損害門極驅(qū)動性能，因此，最好使用驅(qū)動GaN的專用半橋驅(qū)動器。

更具體地說，硅MOSFET驅(qū)動器的典型傳輸延遲時間約為100 ns，這不適合驅(qū)動速度在500 kHz到1 MHz之間的GaN器件。對于此類速度，理想情況下，傳輸延遲應(yīng)不超過50 ns。

由于電容較低，因此在GaN器件的漏極和源極之間有高電壓轉(zhuǎn)換率。這可能導(dǎo)致器件過早失效甚至發(fā)生災(zāi)難性故障，尤其是在大功率應(yīng)用中。為避免這種情況，必須有高的dv / dt抗擾度(在100 V / ns的范圍內(nèi))。

PCB會對GaN設(shè)計(jì)的性能產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性影響，因此經(jīng)常使用RF型布局中常用的技術(shù)。我們還建議對門極驅(qū)動器使用低電感封裝(如PQFN)。

安森美半導(dǎo)體的NCP51820是業(yè)界首款半橋門極驅(qū)動器，專門設(shè)計(jì)用于GaN技術(shù)。它具有調(diào)節(jié)的5.2 V門極驅(qū)動，典型的傳輸延遲僅為25 ns。它具有高達(dá)200 V / ns的dv / dt抗擾度，采用低電感PQFN封裝。

圖2：NCP51820高性能、650 V半橋門極驅(qū)動器用于GaN電源開關(guān)

最初采用GaN技術(shù)并增長的將是如低功率快速充電USB PD電源適配器和游戲類筆記本電腦高功率適配器等應(yīng)用。這主要?dú)w因于有控制器和驅(qū)動器可支持需要高開關(guān)頻率的這些應(yīng)用，從而縮短了設(shè)計(jì)周期。隨著合適的驅(qū)動器、控制器和模塊方案可用于服務(wù)器、云和電信等更高功率的應(yīng)用，那么GaN也將被采用。