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氮化镓(GaN)技术提供的重大机遇

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在电源应用中使用氮化镓(GaN)是一大重要创新,有希望为实现高效电力转换这一目标做出重大贡献。GaN是一种已经投入使用的半导体材料,广泛应用于LED照明领域和日益重要的无线领域中。随着工艺进步和故障率的提高,GaN在交流与直流电源转换、电平转换等应用上提供了很多的优势。
与以前使用的硅(Si)晶体管相比,基于GaN的开关功率晶体管可以在高电压下工作,具有更高的性能和更低的损耗。GaN能够在高频条件下工作并保持高性能、高效率。GaN器件采用了适于现有Si制造流程的GaN-on-Si工艺。由于GaN器件在相同电流能力下的体积要小得多。因此,与Si等效材料相比,GaN晶体管具有更优秀的成本效益,这将使得GaN器件的应用从大型工业设备到小型化的手持设备都具有吸引力。高性能电源设计不仅要求更高的工作频率,并同时实现精确的开关特性,而GaN巨大的优势正在推动着高效电源转换时代的来临。今天,电源设计人员开始重新思考他们的电路设计,寻找能够充分利用新型GaN晶体管潜力的电源系统的方法,同时避免有害因素的影响。传统的解决方案通常从组件本身着手,如GaN开关、Si开关驱动器、高速开关控制器、功率电感器、变压器和电容器等;研发电源产品的集成电路(IC)制造商能够通过提供协作式的系统级解决方案,为客户实现大幅度的性能设计提升,甚至将多个芯片集成到模块化的封装中。GaN在电源供应链中的地位大多数电子设备都采用开关电源(SMPS),能够有效地将交流电转换为直流电(AC to DC)和步进电压110-120V、220-240V或12-、5-、3.3-V等系统需要的供电范围;这些功能对于消费电子和数据中心来说都是非常典型的,SMPS也用于直流到直流的转换以及可再生能源逆变器、汽车电子、工业设备和其它类型的大功率系统中。
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图1展示了一个典型SMPS的工作流程框图。SMPS将输入电压(通常是高电压和低频率的交流电)整流为直流电,电源线路滤波器用于阻止电源中产生的高频分量在传输过程中反射回来,高频电源开关(SMPS的核心)将直流信号转换为脉冲电压波形,并在低电压系统需要的电平上进行稳压滤波输出。来自输出的反馈控制器用于向功率开关驱动器提供脉宽调制(PWM)信号,从而实现调节功能;随着负载需求的变化,信号脉冲宽度会逐渐增大或减少。传统上的电源开关都是采用硅MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管),但现在正在被GaN FET所取代。根据系统设计要求,可以使用各种各样的拓扑结构,在电源开关的布置上从singleFET升压转换器到多个双FET设计,最多达到4个FET全桥转换器。开关及其驱动器是整个设计中非常敏感的部分,因为它们必须按照控制器的指令精确地完成每一项操作,否则电源系统的工作会变得不稳定。此外,由于调制电压的快速上升和下降,噪声被注入到反馈回路中,也会导致电源系统的不稳定。所有并网系统的一个要求是隔离来自电网的部分和提供给电力系统使用的部分,从而保证用户设备的使用安全。另一个问题是不能允许电源转换过程中的高频操作干扰电网能量的传输,在电源传输线上产生不必要的噪声。GaN器件通过在更高频率上的转换操作解决了这种隔离上的要求,有效降低了电磁干扰的影响;在更高频率上的转换可以减小隔离变压器和输入滤波器的尺寸。SMPS系统中应用GaN的优势在电源开关的应用上,GaN具有比硅材料更重要的优势,因为GaN能够在更高的电压下提供更低的损耗,在开关切换时使用的能量也更少。经过多年的发展Si开关已经得到了很大的改进,但是在相同的尺寸和电压条件下,GaN具有的卓越性能是Si器件无法媲美的。目前Si MOSFET与GaN相比具有一定的成本优势,但随着时间的推移,成本差异将会越来越小。GaN开关器件的工作电压范围非常宽,因此电源设计人员能够在很宽的输入输出电压范围内实现更高的开关频率,同时在较小的物理尺寸上达到期望的设计效率。GaN最具有价值的应用是在尽可能小型化的电源解决方案上。
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图2为GaN晶体管的基本结构图。从前面的讨论可以知道,GaN材料位于Si衬底上,这样设计的优点是既能够充分利用数十年Si处理的优势,又能够发挥新材料GaN的特长,其中一个好处是能够实现更高的带隙电压。半导体是一类特殊的材料,因为带隙能量是能够将该类材料从绝缘体改变为导体所需的电压跃变。GaN提供的3.2电子伏特(eV)的带隙能量几乎是Si的三倍。从理论上说,较高的带隙能量意味着在较高温度下具有更好的性能,因为在该物质变成导体之前可以维持更多的热量;这种固有的性能有望在未来改善汽车、工业和其它高温环境下的器件性能。SMPS设计中的GaN发展曲线虽然GaN具有很多的优点,但这项技术只是刚开始进入电源设计领域。以前在LED和无线领域的应用可能给人一种印象,即GaN在电源设计上的应用已经具备了较好的条件。而实际上,在电源FET中使用GaN需要重大的工艺和器件开发,使得该类产品的研制进展缓慢。新型FET与Si器件的差异使得IC供应商和系统设计人员在研制阶段谨慎行事,逐步解决设计中遇到的各种复杂问题。传统的GaN器件通常处于开启状态或处于耗尽模式,而硅MOSFET则是关断的增强型器件。为了提供硅MOSFET的直接替换,GaN FET开关供应商重新设计了他们的产品实现增强模式下工作,或者使用一种串联开关来提供常关功能。用GaN FET取代Si MOSFET只是重新设计的开始,GaN晶体管的高频能力要求开关驱动信号具有更高的时序精度,此外,开关对来自封装、互联和外部源的寄生阻抗具有高度敏感特性。集成的基于Si的GaN驱动器可以高速开启和关闭GaN开关,有助于推动GaN开关电源的设计。成熟的硅工艺使得这些极其精确、高频可调的驱动器开发成为了可能。例如,TI的LM5113栅极驱动器就是为了控制中高电平的高端和低端增强型GaN电源开关,栅极驱动器集成了所需的元器件以达到性能优化的目的,这种集成不仅可以减少电路板空间,还能有助于简化设计。除了以最小的延迟实现高精度驱动时序外,该器件还为GaN开关的高效精确操作提供重要保护。例如,自举钳位将栅极-源极电压保持在安全的操作区域;大电流下拉可提高dv/dt抗扰度,防止意外的低端激活;独立的源极和漏极引脚可以优化导通和关断时间以提高效率、降低噪声;而快速传播延迟匹配能够优化开关转换时的死区时间。基于GaN的SMPS系统级解决方案设计结合快速、精确的电源管理控制,GaN栅极驱动器具有相当先进的基于GaN的SMPS设计。因此,栅极驱动器本身的优化程度限制了SMPS性能的提升,即使在驱动器与GaN开关之间的最短可能走线也会导致延迟时间随设计变化。未来的IC解决方案将需要控制由无源器件的布局和设计引起的可变性问题,因为这些对于驱动器和开关的耦合特性至关重要。由于以上讨论的两种器件是基于不同材料的,特性差别很大,因此在不久的将来,将它们集成在一个芯片上的成本可能仍然会比较高。然而,集成FET、驱动器和支持开关的无源器件的单封装模块(如图3所示)将大大减少SMPS的面积和元件数量;这种尺寸的减小也意味着系统制造成本的降低以及GaN设计效率的提高。与减小尺寸的解决方案一样重要的是降低设计的复杂性,驱动器开关模块将减少芯片之间连接长度、最小化延迟时间和寄生阻抗,从而减少开关输出脉冲波形的畸变。一个设计优秀的模块可以大大减少多芯片设计的寄生因素,甚至可能下降一个数量级或更多。
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提供系统级解决方案的另一个重要因素是控制器-调节器,它必须在GaN所支持的高频率下运行,必须实时响应输出电压的变化。时间分辨率还必须满足精确的脉冲宽度要求,以尽量减少死区时间内的传导损耗。幸运的是,数字电源控制器可以支持这些要求,并提供额外的性能和I/O功能。TI在数字电源控制方面提供了全面的专业知识,结合公司的电源技术为GaN调节和控制开关提供系统级解决方案。此外还需要研究基于GaN设计的磁性元件,因为这些元件目前仍然是针对硅使能频率定制的。TI公司与电源制造商和GaN研究机构合作,根据市场的具体需求不断向磁性元件供应商提出新的设计要求。随着GaN电源器件的使用范围不断扩大,磁性器件供应商将以市场为导向改进现有技术。一旦时机成熟,业界将能够在许多电源应用领域感受到GaN器件带来的好处。GaN创新将满足未来市场的需求世界人口的不断增长和社会发展速度的加快,使得对电力的需求不断增加,日益迫切的环境压力迫使我们必须用更少的能源完成更多的事情。当我们试图解决这些需求时,世界发展将从创新中受益,这些创新帮助我们更有效地提供、转换和消耗电力,从而产生改善我们生活的技术。GaN就是这样一种创新,通过它有望减少电源转换中的功率损失,从而帮助我们从有限的能源中获得更多的利益。为了应对GaN的挑战,TI正在充分利用其在研发方面的领先地位,创造出可减少高频电源转换带来的复杂问题的解决方案。这些差异化解决方案将有助于简化设计,节省空间并减少组件数量,同时最大限度地减少信号延迟和杂散干扰。随着这些优势产品的出现,SMPS研发人员将能够以更快的速度推出更高性能的系统。高性能系统的成功将进一步推动GaN进入新的应用领域,包括高功率的工业设备和低功率的消费品市场。系统级解决方案的模块和其它关键部分将帮助我们实现GaN技术在电源效率方面提供的全部潜力。翻译:高小豆
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