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實(shí)現(xiàn)更加高效的電力轉(zhuǎn)換是應(yīng)對當(dāng)前增長的人口和能源需求的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)目標(biāo)。能夠有效推動(dòng)這一目標(biāo)達(dá)成的重要?jiǎng)?chuàng)新就是在電源應(yīng)用中使用氮化鎵 （GaN）。GaN是一種已經(jīng)成熟的半導(dǎo)體材料，廣泛應(yīng)用于LED照明，并在無線應(yīng)用中發(fā)揮越來越重要的作用。目前，隨著工藝的進(jìn)步和缺陷率的不斷降低，GaN在交直流電力轉(zhuǎn)換、改變電壓電平、并且以一定數(shù)量的函數(shù)確?？煽侩娏?yīng)的電子電源中的優(yōu)勢越來越明顯。
基于GaN的開關(guān)功率晶體管可實(shí)現(xiàn)全新電源應(yīng)用，與之前使用的硅材料 （Si） 晶體管相比，在高壓下運(yùn)轉(zhuǎn)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(xiàn)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?qū)崿F(xiàn)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價(jià)比。這將增大GaN器件對于大型工業(yè)設(shè)備到最小型手持類設(shè)備等各類系統(tǒng)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(shè)計(jì)中占據(jù)一席之地。這些設(shè)計(jì)在工作頻率和精確開關(guān)特性方面要求嚴(yán)格。然而，GaN在更高效電源轉(zhuǎn)換方面的發(fā)展前景一定能夠滿足這方面的要求。
目前，電源設(shè)計(jì)人員正在重新思考他們設(shè)計(jì)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(fù)面影響的方法來創(chuàng)造電源系統(tǒng)。思考這類問題時(shí)通常的思路是在現(xiàn)有組件中尋找解決方案—GaN開關(guān)，Si開關(guān)驅(qū)動(dòng)器，高速開關(guān)控制器，以及功率電感器、變壓器和電容器等均是總體設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的器件提供系統(tǒng)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的設(shè)計(jì)可能性。
德州儀器作為行業(yè)領(lǐng)先的電源應(yīng)用IC解決方案供應(yīng)商，在提供這些類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(shè)計(jì)人員提供所需器件。
GaN在電源鏈中的位置
大多數(shù)常見的電子設(shè)備由開關(guān)模式電源 （SMPS） 供電運(yùn)行，這些電源將交流電高效地轉(zhuǎn)換為直流電（AC到DC），并且將110-120V或者220-240V的分級線電壓降壓至12V，5V，3.3V，以及系統(tǒng)組件需要的更低電壓。這些功能通常用于消費(fèi)類電子設(shè)備和數(shù)據(jù)中心，但是SMPS也被用于DC至DC轉(zhuǎn)換，并且用于生成可再生能源逆變器中的更高電壓電平，以及汽車電子設(shè)備，工業(yè)設(shè)備和其它類型的高功率系統(tǒng)。
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，阻止其傳送回源線路。一個(gè)高頻電源開關(guān)—SMPS的核心—將DC信號轉(zhuǎn)換為一個(gè)脈沖電壓波形。開關(guān)的輸出被轉(zhuǎn)換為所需的電壓，并被過濾為低壓系統(tǒng)所要求的穩(wěn)定輸出電平。控制器用輸出反饋提供脈寬調(diào)制 （PWM） 信號給電源開關(guān)驅(qū)動(dòng)器，從而提供穩(wěn)壓功能。信號的脈寬隨負(fù)載要求的變化而增加或減少。
圖1.開關(guān)模式電源的一般功能。
一直以來電源開關(guān)都是硅材料MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管）所制，但是現(xiàn)在正被GaN FET所取代。
根據(jù)系統(tǒng)要求的不同，可使用很多種不同的設(shè)計(jì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對電源開關(guān)的安排也將有所不同，從單FET升壓轉(zhuǎn)換器，包含兩個(gè)FET的設(shè)計(jì)，最多到四個(gè)FET的全橋轉(zhuǎn)換器。此開關(guān)和其轉(zhuǎn)換器形成了一個(gè)非常靈敏的設(shè)計(jì)區(qū)域，它們必須在控制器的指令下精確執(zhí)行相關(guān)功能。如果不能做到這一點(diǎn)的話，電源系統(tǒng)就會(huì)變得不穩(wěn)定。此外，已調(diào)制電壓的快速上升和下降有可能導(dǎo)致噪音進(jìn)入反饋回路，從而造成電源系統(tǒng)不穩(wěn)定。
對于所有電網(wǎng)連接的系統(tǒng)的一個(gè)要求就是電網(wǎng)內(nèi)與系統(tǒng)外的隔離，以便為下游設(shè)備提供安全保護(hù)。另外一個(gè)注意點(diǎn)則是電源轉(zhuǎn)換的高頻運(yùn)行一定不能干擾電網(wǎng)的電力傳輸，也不能在供電線路上生成噪聲。GaN器件滿足了這一隔離要求，并且通過較高頻率運(yùn)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(tǒng)中的應(yīng)用優(yōu)勢
GaN相較于硅在電源開關(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。它的打開和關(guān)閉所需電能也更少。在過去幾年間，Si開關(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(dá)成的。目前，Si MOSFET對于GaN來說有相當(dāng)大的成本優(yōu)勢，但是隨著時(shí)間的推移，這一成本方面的差異將會(huì)縮小。
GaN開關(guān)器件支持寬范圍的工作電壓。它們使電源設(shè)計(jì)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(yùn)行，從而減小了解決方案的物理尺寸。GaN最適合的應(yīng)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(jié)構(gòu)。正如之前所談到的，GaN材料位于一塊Si基板上。這種設(shè)計(jì)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(shù)十年發(fā)展所帶來的優(yōu)勢。其中一個(gè)優(yōu)勢就是較高的帶隙電壓。
圖2.增強(qiáng)型模式GaN FET的橫截面
半導(dǎo)體區(qū)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?dǎo)體所需的電壓跳變。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，更高的帶隙意味著較高溫度下的更佳性能，其原因是在物質(zhì)變?yōu)閷?dǎo)電前可耐受更多的熱量。今后，這一特性有可能提升汽車、工業(yè)和其它高溫環(huán)境中的GaN性能。
SMPS設(shè)計(jì)中的GaN學(xué)習(xí)曲線
盡管GaN優(yōu)勢眾多，這項(xiàng)技術(shù)才剛剛開始在電源設(shè)計(jì)中找到用武之地。之前LED和無線應(yīng)用中的GaN讓人們看到了將這項(xiàng)技術(shù)用于電源應(yīng)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發(fā)，而這些開發(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(yīng)商和系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員不得不小心前行，逐步解決設(shè)計(jì)難題。傳統(tǒng)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(qiáng)模式器件。為了提供針對Si MOSFET的直接替代器件，GaN FET開關(guān)供應(yīng)商或者重新設(shè)計(jì)他們的產(chǎn)品，使其可在在增強(qiáng)模式運(yùn)行，或者使用另外的開關(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(shè)計(jì)的開始。GaN晶體管的高頻處理能力要求開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號具備更大計(jì)時(shí)精度，而這些開關(guān)對于封裝、互連和外部源的寄生阻抗高度敏感?？筛咚匍_閉GaN開關(guān)的集成型硅基GaN驅(qū)動(dòng)器已經(jīng)推動(dòng)著采用GaN的SMPS設(shè)計(jì)向前發(fā)展。成熟的Si處理可實(shí)現(xiàn)這些非常精確的、高頻可調(diào)諧驅(qū)動(dòng)器的開發(fā)。
例如，TI的LM5113柵極驅(qū)動(dòng)器曾經(jīng)被設(shè)計(jì)用來控制處于中等電壓電平的高端和低端增強(qiáng)模式GaN電源開關(guān)。此柵極驅(qū)動(dòng)器集成了優(yōu)化GaN開關(guān)性能的所需組件。這一集成不但減少了電路板空間，還有助于簡化設(shè)計(jì)。除了用最小延遲來實(shí)現(xiàn)高精度驅(qū)動(dòng)計(jì)時(shí)，此器件還提供重要保護(hù)功能，以實(shí)現(xiàn)GaN開關(guān)的高效、精確運(yùn)行。例如，自舉鉗位將柵源電壓保持在安全工作范圍內(nèi)；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(dú)的源/灌引腳優(yōu)化了接通和關(guān)閉次數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)高效率和低噪聲；而快速傳播延遲匹配在開關(guān)處于轉(zhuǎn)換中時(shí)優(yōu)化了死區(qū)時(shí)間。
針對啟用GaN的SMPS設(shè)計(jì)的系統(tǒng)級解決方案
通過與快速、精確電源管理控制組合在一起，GaN柵極驅(qū)動(dòng)器極大地推動(dòng)了啟用GaN的 SMPS設(shè)計(jì)的發(fā)展。然而，柵極驅(qū)動(dòng)器本身所能優(yōu)化的程度有限。在驅(qū)動(dòng)器和GaN開關(guān)之間，即使是最短的走線也會(huì)可能因?yàn)樵O(shè)計(jì)的變化產(chǎn)生延遲。
未來的IC解決方案將需要控制因布局布線和無源組件的設(shè)計(jì)所導(dǎo)致的易變性問題，因?yàn)檫@對驅(qū)動(dòng)器與開關(guān)的耦合很重要。由于這兩類器件基于屬性完全不同的材料，未來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(qū)動(dòng)器以及為開關(guān)提供支持的無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(shù)量。物理尺寸的減少也將意味著系統(tǒng)制造成本的降低，以及基于GaN設(shè)計(jì)的高效率。
圖3.集成GaN開關(guān)柵極驅(qū)動(dòng)器模塊。
降低設(shè)計(jì)復(fù)雜度與縮小解決方案尺寸同樣重要。一個(gè)驅(qū)動(dòng)器開關(guān)模塊將芯片間的連接線減小到盡可能短的長度，從而最大限度地縮短了延遲時(shí)間，并減少了那些使開關(guān)脈沖輸出失真的寄生阻抗。一款設(shè)計(jì)良好的模塊將大大減少多芯片設(shè)計(jì)的寄生因子，其中的某些因子會(huì)減少一個(gè)數(shù)量級，甚至更多。
提供系統(tǒng)級解決方案的另外一個(gè)重要因素是控制器-穩(wěn)壓器，這款器件必須在GaN支持的高頻率下運(yùn)行，必須實(shí)時(shí)地對輸出電壓的變化做出響應(yīng)。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(qū)時(shí)間內(nèi)的傳導(dǎo)損耗。幸運(yùn)的是，現(xiàn)有的數(shù)字電源控制器可以滿足這些要求，從而提供可被用于系統(tǒng)其它位置的額外性能和I/O功能。TI提供數(shù)字電源控制方面的全面專業(yè)知識，這些知識與公司的電源技術(shù)一起，提供針對GaN穩(wěn)壓和受控開關(guān)的系統(tǒng)級解決方案。
另外還需要針對基于GaN設(shè)計(jì)的磁性元件，因?yàn)槟壳按判栽匀辉诠璨牧纤鶎?shí)現(xiàn)的頻率下工作。TI與電源制造商和GaN研究機(jī)構(gòu)通力協(xié)作，不斷地敦促磁性元件供應(yīng)商提供這些組件，但是這項(xiàng)工作在很大程度上取決于市場的需求。隨著基于GaN的電源組件不斷上市，并且供應(yīng)量在不斷的增加，磁性元件供應(yīng)商將會(huì)收到客戶的大量請求，要求他們引入支持這項(xiàng)技術(shù)的組件。一旦條件成熟，業(yè)界就能夠在很多電源應(yīng)用中充分利用GaN所帶來的優(yōu)勢。
針對未來需求的GaN創(chuàng)新
全球人口數(shù)量的不斷增長和快速發(fā)展，對電力的需求持續(xù)增加，與此同時(shí)，環(huán)境問題也需要我們在提高能源使用效率方面做出更大努力。隨著我們不斷地嘗試滿足這些需求，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(zhuǎn)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，通過最大限度地降低電力轉(zhuǎn)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(yīng)對GaN所帶來的挑戰(zhàn)，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，來減少高頻電源轉(zhuǎn)換中出現(xiàn)的復(fù)雜問題。這些差別化的解決方案將有助于簡化設(shè)計(jì)、節(jié)省空間并減少組件數(shù)量，同時(shí)也最大限度地減少那些影響高效運(yùn)行的信號延遲和雜散干擾。
隨著具有這些應(yīng)用優(yōu)勢的產(chǎn)品的出現(xiàn)，SMPS開發(fā)人員將能夠加快高性能系統(tǒng)的上市時(shí)間。這些系統(tǒng)的成功應(yīng)用將推動(dòng)GaN進(jìn)入高功率、工業(yè)級終端設(shè)備，以及低功率大眾市場等全新的應(yīng)用領(lǐng)域。系統(tǒng)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。
作者：Michael Seeman，德州儀器
Dave Freeman，德州儀器
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工商網(wǎng)監(jiān)
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