氮化鎵(GaN)接替硅，支持高能效、高頻電源設計

在所有電力電子使用中，功率密度是關鍵指標之一，這主要由更高能效和更高開關頻率驅動。隨著基于硅的技術接近其發展極限，設計工程師今朝正尋求寬禁帶技術如氮化鎵（GaN）來提供方案。

對于新技術而言，GaN本質上比其將取代的技術（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加工出。因此，由于GaN器件小于等效硅器件，因此每個晶片可以加工更多的器件，從而降低了每個晶片的成本。

GaN有許多性能優點，包括遠高于硅的電子遷移率（3.4eV對比1.1eV），這使其具有比硅高1000倍的電子傳導效率的潛力。值得留意的是，GaN的門極電荷（QG）較低，并且由于非得在每個開關周期內對其進行補充，因此GaN能夠以高達1MHz的頻率工作，效率不會降低，而硅則難以達到100kHz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電流（稱為第三象限操作）。因此，GaN沒有反向恢復電荷（QRR），使其非常適合硬開關使用。

圖1：GaN經優化實現快速開關

GaN實在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撲。無體二極管使GaN成為硬開關圖騰柱功率因數校正（PFC）的很好的選擇，并且GaN也非常適用于零電壓開關（ZVS）使用，包括諧振LLC和有源鉗位反激。

45W至65W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150W至300W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。在這些使用中，使用GaN技術可使功率密度增加一倍，從而使適配器更小、更輕。特別地，相關的磁性元器件能夠減小尺寸。例如，電源變壓器內核的尺寸可從RM10減小為RM8的薄型或平面設計。因此，在許多使用中，功率密度增加了一倍甚至三倍，達30W/in3。

在更高功率的使用中，例如為服務器、云和電信系統供電的電源，尤其是基于圖騰柱PFC的電源，采用GaN可使能效超過99％。這使這些系統能夠滿足最緊要的（和嚴格的）能效標準，如80+titanium。

驅動GaN器件的辦法對于保護相對敏感的柵極氧化物至關緊要。在器件導通期間提供精確調節的門極驅動幅值尤為緊要。實現此目的的一種辦法是添加低壓降穩壓器（LDO）到現有的硅MOSFET門極驅動器中。但這會損害門極驅動性能，因此，最好使用驅動GaN的專用半橋驅動器。

更詳盡地說，硅MOSFET驅動器的典型傳輸延遲時間約為100ns，這不適合驅動速度在500kHz到1MHz之間的GaN器件。對于此類速度，理想情況下，傳輸延遲應不超過50ns。

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換率。這可能導致器件過早失效甚至發生災難性故障，尤其是在大功率使用中。為避免這種情況，非得有高的dv/dt抗擾度（在100V/ns的范圍內）。

PCB會對GaN設計的性能萌生實質性影響，因此常常使用RF型布局中常用的技術。我們還提議對門極驅動器使用低電感封裝（如PQFN）。

安森美半導體的NCP51820是業界首款半橋門極驅動器，專門設計用于GaN技術。它具有調節的5.2V門極驅動，典型的傳輸延遲僅為25ns。它具有高達200V/ns的dv/dt抗擾度，采用低電感PQFN封裝。

圖2：NCP51820高性能、650V半橋門極驅動器用于GaN電源開關

最初采用GaN技術并增長的將是如低功率快速充電USBPD電源適配器和游戲類筆記本電腦高功率適配器等使用。這主要歸因于有控制器和驅動器可支持需要高開關頻率的這些使用，從而縮短了設計周期。隨著適宜的驅動器、控制器和模塊方案可用于服務器、云和電信等更高功率的使用，那么GaN也將被采用。

聲明： 本站所發布文章部分圖片和內容自于互聯網，如有侵權請聯系刪除