氮化鎵(GaN)接替硅，支持高能效、高頻電源設計

在所有電力電子應用中，功率密度是關(guān)鍵指標之一，這主要由更高能效和更高開(kāi)關(guān)頻率驅動(dòng)。隨著(zhù)基于硅的技術(shù)接近其發(fā)展極限，設計工程師現在正尋求寬禁帶技術(shù)如氮化鎵（GaN）來(lái)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(chǎng)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(gè)晶片可以生產(chǎn)更多的器件，從而降低了每個(gè)晶片的成本。

GaN有許多性能優(yōu)勢，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。值得注意的是，GaN的門(mén)極電荷（Q_G）較低，并且由于必須在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內對其進(jìn)行補充，因此GaN能夠以高達1 MHz的頻率工作，效率不會(huì )降低，而硅則難以達到100 kHz以上。此外，與硅不同，GaN沒(méi)有體二極管，其在A(yíng)lGaN / GaN邊界表面的2DEG可以沿相反方向傳導電流（稱(chēng)為“第三象限”操作）。因此，GaN沒(méi)有反向恢復電荷（Q_RR），使其非常適合硬開(kāi)關(guān)應用。

GaN確實(shí)具有有限的雪崩能力，并且比硅更容易受到過(guò)電壓的影響，因此極其適用于漏-源電壓（V_DS）鉗位在軌電壓的半橋拓撲。無(wú)體二極管使GaN成為硬開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)（ZVS）應用，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，電源變壓器內核的尺寸可從RM10減小為RM8的薄型或平面設計。因此，在許多應用中，功率密度增加了一倍甚至三倍，達30 W / in³。

圖1：GaN經(jīng)優(yōu)化實(shí)現快速開(kāi)關(guān)

在更高功率的應用中，例如為服務(wù)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(guò)99％。這使這些系統能夠滿(mǎn)足最重要的（和嚴格的）能效標準，如80+ titanium。

驅動(dòng)GaN器件的方法對于保護相對敏感的柵極氧化物至關(guān)重要。在器件導通期間提供精確調節的門(mén)極驅動(dòng)幅值尤為重要。實(shí)現此目的的一種方法是添加低壓降穩壓器（LDO）到現有的硅MOSFET門(mén)極驅動(dòng)器中。但這會(huì )損害門(mén)極驅動(dòng)性能，因此，最好使用驅動(dòng)GaN的專(zhuān)用半橋驅動(dòng)器。

更具體地說(shuō)，硅MOSFET驅動(dòng)器的典型傳輸延遲時(shí)間約為100 ns，這不適合驅動(dòng)速度在500 kHz到1 MHz之間的GaN器件。對于此類(lèi)速度，理想情況下，傳輸延遲應不超過(guò)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換率。這可能導致器件過(guò)早失效甚至發(fā)生災難性故障，尤其是在大功率應用中。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）。

PCB會(huì )對GaN設計的性能產(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(mén)極驅動(dòng)器使用低電感封裝（如PQFN）。

安森美半導體的NCP51820是業(yè)界首款半橋門(mén)極驅動(dòng)器，專(zhuān)門(mén)設計用于GaN技術(shù)。它具有調節的5.2 V門(mén)極驅動(dòng)，典型的傳輸延遲僅為25 ns。它具有高達200 V / ns的dv / dt抗擾度，采用低電感PQFN封裝。

最初采用GaN技術(shù)并增長(cháng)的將是如低功率快速充電USB PD電源適配器和游戲類(lèi)筆記本電腦高功率適配器等應用。這主要歸因于有控制器和驅動(dòng)器可支持需要高開(kāi)關(guān)頻率的這些應用，從而縮短了設計周期。隨著(zhù)合適的驅動(dòng)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用，那么GaN也將被采用。

圖2：NCP51820高性能、650 V半橋門(mén)極驅動(dòng)器用于GaN電源開(kāi)關(guān)