氮化鎵在開關電源中的應用技術及優勢

在電源應用中使用氮化鎵(GaN)是一大重要創新，有希望為實現高效電力轉換這一目標做出重大貢獻。GaN是一種已經投入使用的半導體材料，廣泛應用于LED照明領域和日益重要的無線領域中。隨著工藝進步和故障率的提高，GaN在交流與直流電源轉換、電平轉換等應用上提供了很多的優勢。
   與以前使用的硅(Si)晶體管相比，基于GaN的開關功率晶體管可以在高電壓下工作，具有更高的性能和更低的損耗。
   GaN能夠在高頻條件下工作并保持高性能、高效率。GaN器件采用了適于現有Si制造流程的GaN-on-Si工藝。由于GaN器件在相同電流能力下的體積要小得多。
   因此，與Si等效材料相比，GaN晶體管具有更優秀的成本效益，這將使得GaN器件的應用從大型工業設備到小型化的手持設備都具有吸引力。高性能電源設計不僅要求更高的工作頻率，并同時實現精確的開關特性，而GaN巨大的優勢正在推動著高效電源轉換時代的來臨。
  今天，電源設計人員開始重新思考他們的電路設計，尋找能夠充分利用新型GaN晶體管潛力的電源系統的方法，同時避免有害因素的影響。
   傳統的解決方案通常從組件本身著手，如GaN開關、Si開關驅動器、高速開關控制器、功率電感器、變壓器和電容器等；研發電源產品的集成電路(IC)制造商能夠通過提供協作式的系統級解決方案，為客戶實現大幅度的性能設計提升，甚至將多個芯片集成到模塊化的封裝中。
 GaN在電源供應鏈中的地位
  大多數電子設備都采用開關電源(SMPS)，能夠有效地將交流電轉換為直流電(AC to DC)和步進電壓110-120V、220-240V或12-、5-、3.3-V等系統需要的供電范圍；
   這些功能對于消費電子和數據中心來說都是非常典型的，SMPS也用于直流到直流的轉換以及可再生能源逆變器、汽車電子、工業設備和其它類型的大功率系統中。

  圖1展示了一個典型SMPS的工作流程框圖。SMPS將輸入電壓(通常是高電壓和低頻率的交流電)整流為直流電，電源線路濾波器用于阻止電源中產生的高頻分量在傳輸過程中反射回來，高頻電源開關(SMPS的核心)將直流信號轉換為脈沖電壓波形，并在低電壓系統需要的電平上進行穩壓濾波輸出。
      來自輸出的反饋控制器用于向功率開關驅動器提供脈寬調制(PWM)信號，從而實現調節功能；隨著負載需求的變化，信號脈沖寬度會逐漸增大或減少。
     傳統上的電源開關都是采用硅MOSFET(金屬氧化物半導體場效應晶體管)，但現在正在被GaN FET所取代。
     根據系統設計要求，可以使用各種各樣的拓撲結構，在電源開關的布置上從singleFET升壓轉換器到多個雙FET設計，最多達到4個FET全橋轉換器。
     開關及其驅動器是整個設計中非常敏感的部分，因為它們必須按照控制器的指令精確地完成每一項操作，否則電源系統的工作會變得不穩定。
     此外，由于調制電壓的快速上升和下降，噪聲被注入到反饋回路中，也會導致電源系統的不穩定。所有并網系統的一個要求是隔離來自電網的部分和提供給電力系統使用的部分，從而保證用戶設備的使用安全。
    另一個問題是不能允許電源轉換過程中的高頻操作干擾電網能量的傳輸，在電源傳輸線上產生不必要的噪聲。
     GaN器件通過在更高頻率上的轉換操作解決了這種隔離上的要求，有效降低了電磁干擾的影響；在更高頻率上的轉換可以減小隔離變壓器和輸入濾波器的尺寸。
 SMPS系統中應用GaN的優勢
    在電源開關的應用上，GaN具有比硅材料更重要的優勢，因為GaN能夠在更高的電壓下提供更低的損耗，在開關切換時使用的能量也更少。經過多年的發展Si開關已經得到了很大的改進，但是在相同的尺寸和電壓條件下，GaN具有的卓越性能是Si器件無法媲美的。
     目前Si MOSFET與GaN相比具有一定的成本優勢，但隨著時間的推移，成本差異將會越來越小。
     GaN開關器件的工作電壓范圍非常寬，因此電源設計人員能夠在很寬的輸入輸出電壓范圍內實現更高的開關頻率，同時在較小的物理尺寸上達到期望的設計效率。GaN最具有價值的應用是在盡可能小型化的電源解決方案上。

    圖2為GaN晶體管的基本結構圖。從前面的討論可以知道，GaN材料位于Si襯底上，這樣設計的優點是既能夠充分利用數十年Si處理的優勢，又能夠發揮新材料GaN的特長，其中一個好處是能夠實現更高的帶隙電壓。
     半導體是一類特殊的材料，因為帶隙能量是能夠將該類材料從絕緣體改變為導體所需的電壓躍變。GaN提供的3.2電子伏特（eV）的帶隙能量幾乎是Si的三倍。
     從理論上說，較高的帶隙能量意味著在較高溫度下具有更好的性能，因為在該物質變成導體之前可以維持更多的熱量；這種固有的性能有望在未來改善汽車、工業和其它高溫環境下的器件性能。
 SMPS設計中的GaN發展曲線
    雖然GaN具有很多的優點，但這項技術只是剛開始進入電源設計領域。以前在LED和無線領域的應用可能給人一種印象，即GaN在電源設計上的應用已經具備了較好的條件。
     而實際上，在電源FET中使用GaN需要重大的工藝和器件開發，使得該類產品的研制進展緩慢。新型FET與Si器件的差異使得IC供應商和系統設計人員在研制階段謹慎行事，逐步解決設計中遇到的各種復雜問題。
     傳統的GaN器件通常處于開啟狀態或處于耗盡模式，而硅MOSFET則是關斷的增強型器件。為了提供硅MOSFET的直接替換，GaN FET開關供應商重新設計了他們的產品實現增強模式下工作，或者使用一種串聯開關來提供常關功能。
     用GaN FET取代Si MOSFET只是重新設計的開始，GaN晶體管的高頻能力要求開關驅動信號具有更高的時序精度，此外，開關對來自封裝、互聯和外部源的寄生阻抗具有高度敏感特性。
     集成的基于Si的GaN驅動器可以高速開啟和關閉GaN開關，有助于推動GaN開關電源的設計。成熟的硅工藝使得這些極其精確、高頻可調的驅動器開發成為了可能。
     例如，TI的LM5113柵極驅動器就是為了控制中高電平的高端和低端增強型GaN電源開關，柵極驅動器集成了所需的元器件以達到性能優化的目的，這種集成不僅可以減少電路板空間，還能有助于簡化設計。
    除了以最小的延遲實現高精度驅動時序外，該器件還為GaN開關的高效精確操作提供重要保護。例如，自舉鉗位將柵極-源極電壓保持在安全的操作區域；大電流下拉可提高dv/dt抗擾度，防止意外的低端激活；獨立的源極和漏極引腳可以優化導通和關斷時間以提高效率、降低噪聲；而快速傳播延遲匹配能夠優化開關轉換時的死區時間。
 基于GaN的SMPS系統級解決方案設計
    結合快速、精確的電源管理控制，GaN柵極驅動器具有相當先進的基于GaN的SMPS設計。因此，柵極驅動器本身的優化程度限制了SMPS性能的提升，即使在驅動器與GaN開關之間的最短可能走線也會導致延遲時間隨設計變化。
     未來的IC解決方案將需要控制由無源器件的布局和設計引起的可變性問題，因為這些對于驅動器和開關的耦合特性至關重要。由于以上討論的兩種器件是基于不同材料的，特性差別很大，因此在不久的將來，將它們集成在一個芯片上的成本可能仍然會比較高。
     然而，集成FET、驅動器和支持開關的無源器件的單封裝模塊（如圖3所示）將大大減少SMPS的面積和元件數量；這種尺寸的減小也意味著系統制造成本的降低以及GaN設計效率的提高。
     與減小尺寸的解決方案一樣重要的是降低設計的復雜性，驅動器開關模塊將減少芯片之間連接長度、最小化延遲時間和寄生阻抗，從而減少開關輸出脈沖波形的畸變。一個設計優秀的模塊可以大大減少多芯片設計的寄生因素，甚至可能下降一個數量級或更多。

    提供系統級解決方案的另一個重要因素是控制器-調節器，它必須在GaN所支持的高頻率下運行，必須實時響應輸出電壓的變化。時間分辨率還必須滿足精確的脈沖寬度要求，以盡量減少死區時間內的傳導損耗。
     幸運的是，數字電源控制器可以支持這些要求，并提供額外的性能和I/O功能。TI在數字電源控制方面提供了全面的專業知識，結合公司的電源技術為GaN調節和控制開關提供系統級解決方案。
     此外還需要研究基于GaN設計的磁性元件，因為這些元件目前仍然是針對硅使能頻率定制的。TI公司與電源制造商和GaN研究機構合作，根據市場的具體需求不斷向磁性元件供應商提出新的設計要求。
     隨著GaN電源器件的使用范圍不斷擴大，磁性器件供應商將以市場為導向改進現有技術。一旦時機成熟，業界將能夠在許多電源應用領域感受到GaN器件帶來的好處。
 GaN創新將滿足未來市場的需求
    世界人口的不斷增長和社會發展速度的加快，使得對電力的需求不斷增加，日益迫切的環境壓力迫使我們必須用更少的能源完成更多的事情。當我們試圖解決這些需求時，世界發展將從創新中受益，這些創新幫助我們更有效地提供、轉換和消耗電力，從而產生改善我們生活的技術。
     GaN就是這樣一種創新，通過它有望減少電源轉換中的功率損失，從而幫助我們從有限的能源中獲得更多的利益。為了應對GaN的挑戰，TI正在充分利用其在研發方面的領先地位，創造出可減少高頻電源轉換帶來的復雜問題的解決方案。這些差異化解決方案將有助于簡化設計，節省空間并減少組件數量，同時最大限度地減少信號延遲和雜散干擾。
     隨著這些優勢產品的出現，SMPS研發人員將能夠以更快的速度推出更高性能的系統。高性能系統的成功將進一步推動GaN進入新的應用領域，包括高功率的工業設備和低功率的消費品市場。系統級解決方案的模塊和其它關鍵部分將幫助我們實現GaN技術在電源效率方面提供的全部潛力。