寬禁帶-未來的材料?

功率幾乎是每一個電子設(shè)計中的共同主題，有效地管理和使用功率是現(xiàn)代面臨的挑戰(zhàn)之一。在汽車中越來越普遍，它可以存儲我們生產(chǎn)的難以置信的數(shù)據(jù)，從自然中獲取能量，也可以應(yīng)用在我們使用的每一個小型便攜式設(shè)備中幫助我們管理繁忙的日常生活。

任何功率解決方案的核心都是半導(dǎo)體開關(guān)器件。一般情況下，這些半導(dǎo)體開關(guān)器件都是由硅材料制造的，但它們已經(jīng)達(dá)到了一個臨界點，即不太可能進(jìn)一步提高效率，而替代材料正在開發(fā)中。所謂的寬禁帶(WBG)材料已經(jīng)出現(xiàn)，可以將DC/DC轉(zhuǎn)換器的效率從85%提高到95%左右，或者將DC/AC逆變器的效率從96%提高到99%，這是一個顯著的進(jìn)步。

氮化鎵(GaN)是首批商業(yè)化的WBG材料之一，通常用于高電子遷移率晶體管(HEMT)。與硅基超結(jié)晶體管相比，GaN基HEMT由于有較低的輸入和輸出電容(Ciss和Coss)，所以可以提供更低的開關(guān)損耗。由于米勒電容低，開關(guān)速度也更快，意味著可以使用更高的頻率拓?fù)洌瑥亩鴾p少組件的大小、重量和成本，特別是磁性器件。此外，與硅相比GaN還具備較低的抗壓強度，減少了靜態(tài)損耗，降低了設(shè)備的熱量的優(yōu)勢。因此，器件尺寸可以更小，可以減少熱管理的成本和規(guī)模(如散熱器或風(fēng)扇)，從而進(jìn)一步降低系統(tǒng)的大小和成本。

氮化鎵的商業(yè)化

到目前為止，GaN的可用性和使用都相對有限。在某種程度上，這是由于硅基超結(jié)晶體管將優(yōu)點擴展到了性能可接受的程度。另一個因素可能也是最重要的因素：由于銷量低導(dǎo)致其成本高。但這種情況正在改變，隨著用戶對功率的性能和效率的要求越來越高，設(shè)計者們除了采用GaN技術(shù)外別無選擇，所以越來越多的使用和技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，規(guī)模經(jīng)濟開始使這些器件在商業(yè)化上更加可行，這將導(dǎo)致更多的使用同時進(jìn)一步降低成本。

GaN功率晶體管有兩種主要類型：需要負(fù)柵極電壓(相對于漏極和源電位)來關(guān)閉的常開耗盡型器件，以及需要正柵極電壓來開啟的常關(guān)增強型器件。對于耗盡型GaN FETs，需要仔細(xì)考量的一個方面是起始相。在半橋式拓?fù)渲?，上下開關(guān)通常會造成短路，因此必須首先啟動?xùn)艠O控制電路，以對GaN FETs施加一個負(fù)偏壓，以避免供電短路。

或者可以在cascode配置中將耗盡型GaN晶體管與低壓Si MOSFET一起使用。在此方法中，GaN晶體管源極與Si MOSFET漏極連接，Si MOSFET源極連接到GaN晶體管柵極，如圖1所示。當(dāng)硅MOSFET柵極沒有偏置時，其漏源電壓(Vds)會對GaN晶體管柵極產(chǎn)生負(fù)偏，從而使器件處于關(guān)閉狀態(tài)。GaN FETs可以在cascode配置中共同打包。

圖1：Cascode使GaN的常關(guān)型器件有性能優(yōu)勢

另一種消除啟動短路的方法是使用常關(guān)的增強型GaN HEMT。GaN Systems GS66516B是一種650V器件，它的工作原理是從低(0-6V)柵電壓運行，從而簡化了設(shè)計挑戰(zhàn)。盡管柵極電壓較低，但該器件能承受從-20V到+10V的柵極瞬變電壓。該器件允許運行速度高達(dá)10MHz，并在其底部的冷卻包中提供6個觸點，非常適合現(xiàn)代電源應(yīng)用。GS66516B可以處理高達(dá)10 A的漏源電流,開啟25 m?電阻。

轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計

設(shè)計人員為確保器件正常運行必須使器件完全開啟和完全關(guān)閉。為了實現(xiàn)這一點，需要一個匹配的柵極驅(qū)動，這在所有的功率器件中都很常見的?？紤]的一個基本因素是確保器件在開啟時柵極驅(qū)動快速地對晶體管的柵極電容進(jìn)行充電，而不產(chǎn)生瞬時振蕩或過載。同樣的情況也適用于器件關(guān)閉：在橋式結(jié)構(gòu)中直通短路是另一個潛在的問題，通過確保時滯時間可有效控制并使驅(qū)動電路的性能的一致，從而避免這個問題。

在為GaN器件設(shè)計驅(qū)動電路時，必須考慮允許的最大柵電壓、柵極閾值電壓和體二極管的壓降。對于增強模GaN器件，如GS66516B，6V柵極源電壓是MOSFET的一半，使turn-on/turn-off的電壓和電流的產(chǎn)生變得簡單得多。晶體管的本征體二極管的正向壓降大約比Si MOSFETs高1伏。由于溫度系數(shù)較低，對補償電路的要求也比較簡單。

GaN器件通常比MOSFETs快，這也成為RDS(ON)的原因。turn-on時間通常是4倍快，而turn-off時間是兩倍快。在系統(tǒng)級上，盡管需要額外的驅(qū)動電路，但由于提高了動態(tài)性能，導(dǎo)致dV/dt速率可以超過100V/ns。在過渡相過程中極有可能創(chuàng)造直通的條件，將會影響系統(tǒng)的效率。

調(diào)整柵極驅(qū)動的負(fù)載電阻可以實現(xiàn)最快的相轉(zhuǎn)換時間，而不會產(chǎn)生其他的損耗。通過優(yōu)化這一電阻，減少了過沖和振蕩，從而避免了誤開 /關(guān)，也顯著減少了電磁干擾。在實際應(yīng)用中，為了進(jìn)一步減少高頻的LC振蕩，設(shè)計者可能希望加入鐵氧體器件與柵極串聯(lián)，并考慮在柵極源路徑上使用RC“減振器”。

圖2和圖3給出了GaN晶體管的turn-on/ turn-off 性能的圖形化概述，并顯示了可靠操作需要考慮的主題。

圖2：開啟GaN晶體管時需考慮的因素

(Source: GaN Systems)

圖3：GaN晶體管的關(guān)斷狀態(tài)

(Source: GaN Systems)

對于低閾值電壓的GaN器件，可以通過拆分驅(qū)動的pull-up / pull-down連接分別優(yōu)化turn-on / turn-off的性能，從而允許插入一個分立電阻器。

圖4：分別優(yōu)化turn-on和turn-off電阻來最小化不良影響

除了優(yōu)化穩(wěn)定性外，補償柵極turn-on / turn-off的電阻比值也將確保最高水平的驅(qū)動性能。turn-on電阻的范圍為10到20Ω。如果數(shù)值太大會降低turn-on的轉(zhuǎn)換速率，從而降低開關(guān)速度和增加功率損耗。如果轉(zhuǎn)換速率過高，則會出現(xiàn)柵極振蕩和帶來損耗的米勒效應(yīng)。為了在最小阻抗的情況下實現(xiàn)快速、穩(wěn)健的關(guān)斷，turn-off電阻應(yīng)該大約為turn-on電阻的10%。

柵極驅(qū)動的選擇

TI的LMG1205柵極驅(qū)動IC設(shè)計用于解決驅(qū)動GaN器件時出現(xiàn)的大部分問題，同時具有足夠的靈活性，使設(shè)計人員能夠?qū)η袚Q速度和其他參數(shù)進(jìn)行設(shè)計調(diào)整，以適應(yīng)所選的開關(guān)器件。LMG1205已經(jīng)過優(yōu)化可用于增強型GaN開關(guān)，并可用于同步buck、boost或半橋拓?fù)?，在這些拓?fù)渲?，LMG1205將驅(qū)動高壓側(cè)和低壓側(cè)開關(guān)，每側(cè)都有獨立的輸入，從而具有最大的靈活性。

低傳輸延遲(通常為35ns)匹配到1.5ns的通道之間，從而避免了直通短路問題并確保了高效率。LMG1205具有分柵輸出的特性，使電流單獨優(yōu)化并可以拉電流1.2A / 灌電流 5.0A在快速轉(zhuǎn)換過程中將防止不理想的啟動。

有幾種器件專門設(shè)計用于GaN的使用，是LMG120G的替代品。其中包括Silicon Labs Si827x系列，模擬器件ADuM4223A/B系列和Maxim MAX5048C。

但是，現(xiàn)有的低頻MOSFET驅(qū)動可以替代專用的GaN器件，只要性能和特性滿足GaN器件的需要。

除了選擇正確的柵極驅(qū)動器和實現(xiàn)所需的驅(qū)動電路之外，高速電路的所有通常需考慮因素仍然適用。例如，必須注意布局，保持驅(qū)動在物理上靠近開關(guān)器件，以最小化雜散和不希望的耦合。在某些應(yīng)用中，可使用kelvin-source連接來最小化共源電感。在其他應(yīng)用中，使用電流隔離的電源軌可能是有益的。

總結(jié)

寬禁帶器件如600V的GaN功率晶體管已經(jīng)商業(yè)化，使所有的設(shè)計者都能獲得性能上的好處。用GaN器件獲得更快的速度意味著需要對基本的高頻模擬有更好的理解。然而，為了充分利用新器件，設(shè)計者必須仔細(xì)選擇驅(qū)動芯片，并通過相關(guān)電路的設(shè)計以確保正確的開關(guān)。