GaN（氮化鎵）將推動(dòng)電源解決方案的進(jìn)步

實(shí)現更加高效的電力轉換是應對當前增長(cháng)的人口和能源需求的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)目標。

能夠有效推動(dòng)這一目標達成的重要創(chuàng )新就是在電源應用中使用氮化鎵 (GaN)。GaN是一種已經(jīng)成熟的半導體材料，廣泛應用于LED照明，并在無(wú)線(xiàn)應用中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。目前，隨著(zhù)工藝的進(jìn)步和缺陷率的不斷降低，GaN在交直流電力轉換、改變電壓電平、并且以一定數量的函數確?？煽侩娏碾娮与娫粗械膬?yōu)勢越來(lái)越明顯。

基于GaN的開(kāi)關(guān)功率晶體管可實(shí)現全新電源應用，與之前使用的硅材料 (Si) 晶體管相比，在高壓下運轉時(shí)，性能更高，損耗更低。GaN的高頻操作特性可以在保持高效率的同時(shí)提高性能。GaN器件使用的是一種適合于現有硅制造流程的硅上氮化鎵(GaN-on-Si) 工藝。如果尺寸更為小巧的GaN器件能夠實(shí)現同樣的電流功能，那么最終GaN晶體管就會(huì )和硅材料晶體管具有同樣性?xún)r(jià)比。這將增大GaN器件對于大型工業(yè)設備到最小型手持類(lèi)設備等各類(lèi)系統的吸引力。由于它在這些方面的優(yōu)點(diǎn)，GaN將首先在更高性能電源設計中占據一席之地。這些設計在工作頻率和精確開(kāi)關(guān)特性方面要求嚴格。然而，GaN在更高效電源轉換方面的發(fā)展前景一定能夠滿(mǎn)足這方面的要求。

目前，電源設計人員正在重新思考他們設計的電路，試圖尋找能充分發(fā)揮全新GaN晶體管潛能又能避免負面影響的方法來(lái)創(chuàng )造電源系統。思考這類(lèi)問(wèn)題時(shí)通常的思路是在現有組件中尋找解決方案—GaN開(kāi)關(guān)，Si開(kāi)關(guān)驅動(dòng)器，高速開(kāi)關(guān)控制器，以及功率電感器、變壓器和電容器等均是總體設計中的部件。生產(chǎn)電源產(chǎn)品的集成電路 (IC) 制造商如果能用共同設計的器件提供系統級解決方案，甚至在模塊封裝中集成多個(gè)芯片，就能夠大大提高了客戶(hù)的設計可能性。

德州儀器作為行業(yè)領(lǐng)先的電源應用IC解決方案供應商，在提供這些類(lèi)解決方案具有很大的優(yōu)勢。借助其創(chuàng )新型制造工藝、電路和封裝技術(shù)，TI不斷為那些希望最大限度發(fā)揮GaN作用的設計人員提供所需器件。

GaN在電源鏈中的位置

大多數常見(jiàn)的電子設備由開(kāi)關(guān)模式電源 (SMPS) 供電運行，這些電源將交流電高效地轉換為直流電（AC到DC），并且將110-120V或者220-240V的分級線(xiàn)電壓降壓至12V，5V，3.3V，以及系統組件需要的更低電壓。這些功能通常用于消費類(lèi)電子設備和數據中心，但是SMPS也被用于DC至DC轉換，并且用于生成可再生能源逆變器中的更高電壓電平，以及汽車(chē)電子設備，工業(yè)設備和其它類(lèi)型的高功率系統。

圖1顯示的是一個(gè)普通SMPS的流程圖。一個(gè)輸入電壓，通常為高壓低頻交流電，被整流為直流電。線(xiàn)路濾波器用于阻斷電源中逐漸形成的高頻率，阻止其傳送回源線(xiàn)路。一個(gè)高頻電源開(kāi)關(guān)—SMPS的核心—將DC信號轉換為一個(gè)脈沖電壓波形。開(kāi)關(guān)的輸出被轉換為所需的電壓，并被過(guò)濾為低壓系統所要求的穩定輸出電平?？刂破饔幂敵龇答佁峁┟}寬調制 (PWM) 信號給電源開(kāi)關(guān)驅動(dòng)器，從而提供穩壓功能。信號的脈寬隨負載要求的變化而增加或減少。

圖1.開(kāi)關(guān)模式電源的一般功能。

一直以來(lái)電源開(kāi)關(guān)都是硅材料MOSFET（金屬氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管）所制，但是現在正被GaN FET所取代。

根據系統要求的不同，可使用很多種不同的設計拓撲結構，對電源開(kāi)關(guān)的安排也將有所不同，從單FET升壓轉換器，包含兩個(gè)FET的設計，最多到四個(gè)FET的全橋轉換器。此開(kāi)關(guān)和其轉換器形成了一個(gè)非常靈敏的設計區域，它們必須在控制器的指令下精確執行相關(guān)功能。如果不能做到這一點(diǎn)的話(huà)，電源系統就會(huì )變得不穩定。此外，已調制電壓的快速上升和下降有可能導致噪音進(jìn)入反饋回路，從而造成電源系統不穩定。

對于所有電網(wǎng)連接的系統的一個(gè)要求就是電網(wǎng)內與系統外的隔離，以便為下游設備提供安全保護。另外一個(gè)注意點(diǎn)則是電源轉換的高頻運行一定不能干擾電網(wǎng)的電力傳輸，也不能在供電線(xiàn)路上生成噪聲。GaN器件滿(mǎn)足了這一隔離要求，并且通過(guò)較高頻率運行減少了電磁干擾。這個(gè)較高頻率可以減少隔離變壓器和輸入濾波器的大小。

GaN在SMPS系統中的應用優(yōu)勢

GaN相較于硅在電源開(kāi)關(guān)方面擁有的一個(gè)重要優(yōu)勢是其在高電壓下更低的損耗。它的打開(kāi)和關(guān)閉所需電能也更少。在過(guò)去幾年間，Si開(kāi)關(guān)的性能已大幅提高，但在相同尺寸和高壓下，GaN提供的重大改進(jìn)是Si不太可能達成的。目前，Si MOSFET對于GaN來(lái)說(shuō)有相當大的成本優(yōu)勢，但是隨著(zhù)時(shí)間的推移，這一成本方面的差異將會(huì )縮小。

GaN開(kāi)關(guān)器件支持寬范圍的工作電壓。它們使電源設計人員能夠在保持極大范圍輸入和輸出電壓的所需頻率的同時(shí)以較高頻率運行，從而減小了解決方案的物理尺寸。GaN最適合的應用往往是那些需要盡可能小尺寸的電源解決方案。

圖2顯示了GaN晶體管的基本結構。正如之前所談到的，GaN材料位于一塊Si基板上。這種設計可以使我們在充分利用GaN的同時(shí)，也可以獲得Si處理的數十年發(fā)展所帶來(lái)的優(yōu)勢。其中一個(gè)優(yōu)勢就是較高的帶隙電壓。

圖2.增強型模式GaN FET的橫截面

半導體區別于其它材料的主要特性是帶隙能—將材料從絕緣體變?yōu)閷w所需的電壓跳變。GaN提供的3.2電子伏特 (eV) 的帶隙能大約是Si所能提供的帶隙能的3倍。理論上，更高的帶隙意味著(zhù)較高溫度下的更佳性能，其原因是在物質(zhì)變?yōu)閷щ娗翱赡褪芨嗟臒崃?。今后，這一特性有可能提升汽車(chē)、工業(yè)和其它高溫環(huán)境中的GaN性能。

SMPS設計中的GaN學(xué)習曲線(xiàn)

盡管GaN優(yōu)勢眾多，這項技術(shù)才剛剛開(kāi)始在電源設計中找到用武之地。之前LED和無(wú)線(xiàn)應用中的GaN讓人們看到了將這項技術(shù)用于電源應用的希望。但是，要把GaN用在功率FET中曾經(jīng)需要重大的工藝和器件開(kāi)發(fā)，而這些開(kāi)發(fā)已經(jīng)延緩了相關(guān)產(chǎn)品的發(fā)展。此外，全新FET與之前使用的Si材料器件間的不同使得IC供應商和系統設計人員不得不小心前行，逐步解決設計難題。傳統GaN器件通常處于接通或耗盡模式，而Si MOSFET是一般情況下處于關(guān)閉狀態(tài)的增強模式器件。為了提供針對Si MOSFET的直接替代器件，GaN FET開(kāi)關(guān)供應商或者重新設計他們的產(chǎn)品，使其可在在增強模式運行，或者使用另外的開(kāi)關(guān)與其串聯(lián)，以提供正常的關(guān)閉功能。

用GaN FET替代Si MOSFET只是重新設計的開(kāi)始。GaN晶體管的高頻處理能力要求開(kāi)關(guān)驅動(dòng)信號具備更大計時(shí)精度，而這些開(kāi)關(guān)對于封裝、互連和外部源的寄生阻抗高度敏感?？筛咚匍_(kāi)閉GaN開(kāi)關(guān)的集成型硅基GaN驅動(dòng)器已經(jīng)推動(dòng)著(zhù)采用GaN的SMPS設計向前發(fā)展。成熟的Si處理可實(shí)現這些非常精確的、高頻可調諧驅動(dòng)器的開(kāi)發(fā)。

例如，TI的LM5113柵極驅動(dòng)器曾經(jīng)被設計用來(lái)控制處于中等電壓電平的高端和低端增強模式GaN電源開(kāi)關(guān)。此柵極驅動(dòng)器集成了優(yōu)化GaN開(kāi)關(guān)性能的所需組件。這一集成不但減少了電路板空間，還有助于簡(jiǎn)化設計。除了用最小延遲來(lái)實(shí)現高精度驅動(dòng)計時(shí)，此器件還提供重要保護功能，以實(shí)現GaN開(kāi)關(guān)的高效、精確運行。例如，自舉鉗位將柵源電壓保持在安全工作范圍內；高電流下拉提升了dv/dt抗擾度，并且避免了低端的意外激活；單獨的源/灌引腳優(yōu)化了接通和關(guān)閉次數，從而實(shí)現高效率和低噪聲；而快速傳播延遲匹配在開(kāi)關(guān)處于轉換中時(shí)優(yōu)化了死區時(shí)間。

針對啟用GaN的SMPS設計的系統級解決方案

通過(guò)與快速、精確電源管理控制組合在一起，GaN柵極驅動(dòng)器極大地推動(dòng)了啟用GaN的 SMPS設計的發(fā)展。然而，柵極驅動(dòng)器本身所能優(yōu)化的程度有限。在驅動(dòng)器和GaN開(kāi)關(guān)之間，即使是最短的走線(xiàn)也會(huì )可能因為設計的變化產(chǎn)生延遲。

未來(lái)的IC解決方案將需要控制因布局布線(xiàn)和無(wú)源組件的設計所導致的易變性問(wèn)題，因為這對驅動(dòng)器與開(kāi)關(guān)的耦合很重要。由于這兩類(lèi)器件基于屬性完全不同的材料，未來(lái)將不太可能把它們集成在單個(gè)芯片（裸片）上。然而，集成了FET、驅動(dòng)器以及為開(kāi)關(guān)提供支持的無(wú)源器件的單封裝模塊（圖3）將會(huì )極大地減少SMPS的大小和組件數量。物理尺寸的減少也將意味著(zhù)系統制造成本的降低，以及基于GaN設計的高效率。

圖3.集成GaN開(kāi)關(guān)柵極驅動(dòng)器模塊。

降低設計復雜度與縮小解決方案尺寸同樣重要。一個(gè)驅動(dòng)器開(kāi)關(guān)模塊將芯片間的連接線(xiàn)減小到盡可能短的長(cháng)度，從而最大限度地縮短了延遲時(shí)間，并減少了那些使開(kāi)關(guān)脈沖輸出失真的寄生阻抗。一款設計良好的模塊將大大減少多芯片設計的寄生因子，其中的某些因子會(huì )減少一個(gè)數量級，甚至更多。

提供系統級解決方案的另外一個(gè)重要因素是控制器-穩壓器，這款器件必須在GaN支持的高頻率下運行，必須實(shí)時(shí)地對輸出電壓的變化做出響應。其時(shí)間分辨率也必須符合精確脈寬要求，以最大限度地減小死區時(shí)間內的傳導損耗。幸運的是，現有的數字電源控制器可以滿(mǎn)足這些要求，從而提供可被用于系統其它位置的額外性能和I/O功能。TI提供數字電源控制方面的全面專(zhuān)業(yè)知識，這些知識與公司的電源技術(shù)一起，提供針對GaN穩壓和受控開(kāi)關(guān)的系統級解決方案。

另外還需要針對基于GaN設計的磁性元件，因為目前磁性元件仍然在硅材料所實(shí)現的頻率下工作。TI與電源制造商和GaN研究機構通力協(xié)作，不斷地敦促磁性元件供應商提供這些組件，但是這項工作在很大程度上取決于市場(chǎng)的需求。隨著(zhù)基于GaN的電源組件不斷上市，并且供應量在不斷的增加，磁性元件供應商將會(huì )收到客戶(hù)的大量請求，要求他們引入支持這項技術(shù)的組件。一旦條件成熟，業(yè)界就能夠在很多電源應用中充分利用GaN所帶來(lái)的優(yōu)勢。

針對未來(lái)需求的GaN創(chuàng )新

全球人口數量的不斷增長(cháng)和快速發(fā)展，對電力的需求持續增加，與此同時(shí)，環(huán)境問(wèn)題也需要我們在提高能源使用效率方面做出更大努力。隨著(zhù)我們不斷地嘗試滿(mǎn)足這些需求，我們的家園將從這些創(chuàng )新中受益，幫助我們更高效地傳送、轉換和使用電力資源，而這些技術(shù)也將改進(jìn)和提升我們的生活品質(zhì)。

GaN就是這樣一種創(chuàng )新，通過(guò)最大限度地降低電力轉換方面的功率損耗，它必將提高我們的能源使用效率。為了應對GaN所帶來(lái)的挑戰，TI正在充分利用其在電源產(chǎn)品和技術(shù)方面的領(lǐng)先優(yōu)勢以及在研發(fā)方面的承諾，創(chuàng )建解決方案，來(lái)減少高頻電源轉換中出現的復雜問(wèn)題。這些差別化的解決方案將有助于簡(jiǎn)化設計、節省空間并減少組件數量，同時(shí)也最大限度地減少那些影響高效運行的信號延遲和雜散干擾。

隨著(zhù)具有這些應用優(yōu)勢的產(chǎn)品的出現，SMPS開(kāi)發(fā)人員將能夠加快高性能系統的上市時(shí)間。這些系統的成功應用將推動(dòng)GaN進(jìn)入高功率、工業(yè)級終端設備，以及低功率大眾市場(chǎng)等全新的應用領(lǐng)域。系統級解決方案的模塊和其它關(guān)鍵部件將幫助我們充分發(fā)揮GaN技術(shù)在提高電源效率方面的作用。