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氮化鎵(GaN)接替硅,支持高能效、高頻電源設計

2020-03-16 08:47:39 來源:安森美半導體
在所有電力電子應用中,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,設計工程師現在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生產出。因此,由于GaN器件小于等效硅器件,因此每個晶片可以生產更多的器件,從而降低了每個晶片的成本。
 
GaN有許多性能優勢,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的門極電荷(QG)較低,并且由于必須在每個開關周期內對其進行補充,因此GaN能夠以高達1 MHz的頻率工作,效率不會降低,而硅則難以達到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應用。
 
圖1:GaN經優化實現快速開關
 
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)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,在許多應用中,功率密度增加了一倍甚至三倍,達30 W / in3。
 
在更高功率的應用中,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重要的(和嚴格的)能效標準,如80+ titanium。
 
驅動GaN器件的方法對于保護相對敏感的柵極氧化物至關重要。在器件導通期間提供精確調節的門極驅動幅值尤為重要。實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。
 
更具體地說,硅MOSFET驅動器的典型傳輸延遲時間約為100 ns,這不適合驅動速度在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會對GaN設計的性能產生實質性影響,因此經常使用RF型布局中常用的技術。我們還建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5.2 V門極驅動,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。
 
圖2:NCP51820高性能、650 V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USB PD電源適配器和游戲類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器可支持需要高開關頻率的這些應用,從而縮短了設計周期。隨著合適的驅動器、控制器和模塊方案可用于服務器、云和電信等更高功率的應用,那么GaN也將被采用。
 

 
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