氮化鎵(GaN)接替硅,支持高能效、高頻電源設(shè)計
發(fā)布時間:2020-03-13 來源:安森美半導(dǎo)體策略營銷總監(jiān)Yong Ang 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】在所有電力電子應(yīng)用中,功率密度是關(guān)鍵指標(biāo)之一,這主要由更高能效和更高開關(guān)頻率驅(qū)動。隨著基于硅的技術(shù)接近其發(fā)展極限,設(shè)計工程師現(xiàn)在正尋求寬禁帶技術(shù)如氮化鎵(GaN)來提供方案。
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,因此每個晶片可以生產(chǎn)更多的器件,從而降低了每個晶片的成本。
GaN有許多性能優(yōu)勢,包括遠(yuǎn)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(dǎo)效率的潛力。值得注意的是,GaN的門極電荷(QG)較低,并且由于必須在每個開關(guān)周期內(nèi)對其進行補充,因此GaN能夠以高達(dá)1 MHz的頻率工作,效率不會降低,而硅則難以達(dá)到100 kHz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(dǎo)電流(稱為“第三象限”操作)。因此,GaN沒有反向恢復(fù)電荷(QRR),使其非常適合硬開關(guān)應(yīng)用。
圖1:GaN經(jīng)優(yōu)化實現(xiàn)快速開關(guān)
GaN確實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?fù)?。無體二極管使GaN成為硬開關(guān)圖騰柱功率因數(shù)校正(PFC)的很好的選擇,并且GaN也非常適用于零電壓開關(guān)(ZVS)應(yīng)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(yīng)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(nèi)核的尺寸可從RM10減小為RM8的薄型或平面設(shè)計。因此,在許多應(yīng)用中,功率密度增加了一倍甚至三倍,達(dá)30 W / in3。
在更高功率的應(yīng)用中,例如為服務(wù)器、云和電信系統(tǒng)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(tǒng)能夠滿足最重要的(和嚴(yán)格的)能效標(biāo)準(zhǔn),如80+ titanium。
驅(qū)動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(dǎo)通期間提供精確調(diào)節(jié)的門極驅(qū)動幅值尤為重要。實現(xiàn)此目的的一種方法是添加低壓降穩(wěn)壓器(LDO)到現(xiàn)有的硅MOSFET門極驅(qū)動器中。但這會損害門極驅(qū)動性能,因此,最好使用驅(qū)動GaN的專用半橋驅(qū)動器。
更具體地說,硅MOSFET驅(qū)動器的典型傳輸延遲時間約為100 ns,這不適合驅(qū)動速度在500 kHz到1 MHz之間的GaN器件。對于此類速度,理想情況下,傳輸延遲應(yīng)不超過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(zhuǎn)換率。這可能導(dǎo)致器件過早失效甚至發(fā)生災(zāi)難性故障,尤其是在大功率應(yīng)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(nèi))。
PCB會對GaN設(shè)計的性能產(chǎn)生實質(zhì)性影響,因此經(jīng)常使用RF型布局中常用的技術(shù)。我們還建議對門極驅(qū)動器使用低電感封裝(如PQFN)。
安森美半導(dǎo)體的NCP51820是業(yè)界首款半橋門極驅(qū)動器,專門設(shè)計用于GaN技術(shù)。它具有調(diào)節(jié)的5.2 V門極驅(qū)動,典型的傳輸延遲僅為25 ns。它具有高達(dá)200 V / ns的dv / dt抗擾度,采用低電感PQFN封裝。
圖2:NCP51820高性能、650 V半橋門極驅(qū)動器用于GaN電源開關(guān)
最初采用GaN技術(shù)并增長的將是如低功率快速充電USB PD電源適配器和游戲類筆記本電腦高功率適配器等應(yīng)用。這主要歸因于有控制器和驅(qū)動器可支持需要高開關(guān)頻率的這些應(yīng)用,從而縮短了設(shè)計周期。隨著合適的驅(qū)動器、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(yīng)用,那么GaN也將被采用。
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