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應(yīng)用領(lǐng)域
敘GaN在開關(guān)電源設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
來源:東莞市成良智能科技 | 作者:666power | 發(fā)布時(shí)間: 1945天前 | 1734 次瀏覽 | 分享到:
首先來說說什么是GaN,中文名:氮化鎵,常溫常壓下是纖鋅礦結(jié)構(gòu)。是現(xiàn)今半導(dǎo)體照明中藍(lán)光發(fā)光二極管的核心材料。而發(fā)光二極管又是東莞開關(guān)電源的組成部分。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)確保可靠電力供應(yīng)的電子開關(guān)電源中的優(yōu)勢(shì)越來越明顯。?


首先來說說什么是GaN,中文名:氮化鎵,常溫常壓下是纖鋅礦結(jié)構(gòu)。是現(xiàn)今半導(dǎo)體照明中藍(lán)光發(fā)光二極管的核心材料。而發(fā)光二極管又是東莞開關(guān)電源的組成部分。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)確保可靠電力供應(yīng)的電子開關(guān)電源中的優(yōu)勢(shì)越來越明顯。

開關(guān)電源設(shè)計(jì)人員正在重新思考電路的設(shè)計(jì),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)造開關(guān)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、變壓器和電容器等總體設(shè)計(jì)中的部件。

對(duì)于開關(guān)電源設(shè)計(jì)人員來說,需要考慮的因素:
(1) 低閾值電壓
GaN FET 的閾值電壓一般低于1.5V ,最小值低至0.7V ,相比很多MOSFETs低,但它隨溫度幾乎平緩變化。低閾值電壓帶來的問題:

1) 在實(shí)際電路中柵極驅(qū)動(dòng)路徑上會(huì)存在漏電感以及柵電容,這些寄生因素在開關(guān)瞬態(tài)會(huì)引起振蕩, 一些小幅度的電壓上升通??赡軙?huì)被柵極檢測(cè)到, 導(dǎo)致誤開啟甚至穿通。
2) 開關(guān)電源最常用到的柵驅(qū)動(dòng)電路是推拉輸出結(jié)構(gòu),利用P型FET作為高端, N型FET作為低端。當(dāng)驅(qū)動(dòng)功率MOS 時(shí),通常將一個(gè)二極管并聯(lián)在柵極電阻上來控制開啟速度而不影響關(guān)斷速度。但是,對(duì)于GaN來說,此電路不能使用。因?yàn)槎O管的正向壓降可能會(huì)大于閾值電壓的最小值,阻斷GaN FET 的關(guān)斷。
3) 由于雜散電感的存在,它與寄生的電容在柵極會(huì)引起較大的噪聲電壓,導(dǎo)致誤開啟。
(2) 柵源電壓上限要求嚴(yán)格:VGS(MAX) =6V。一方面, VGS必須被設(shè)定在5.5V 以下來預(yù)留0.5V 的安全余量。另一方面,從Rds(ON) 與VGS曲線看出,在VGS=4.5-5.5V 時(shí), Rds(ON) 可以達(dá)到最小值,意味著降低傳導(dǎo)損耗。綜合考慮,將VGS設(shè)置在5V。柵源電壓設(shè)計(jì)要求帶來的問題:必須對(duì)柵源電壓進(jìn)行嚴(yán)格控制, 避免損壞GaN FET功率管柵極,適用于MOSFETs驅(qū)動(dòng)的普通偏置不能被直接使用。
(3) 開關(guān)電源之GaN FET 反向?qū)?/span>
GaN FET 的IV 轉(zhuǎn)移特性,看出GaN FET 可以反向?qū)?。反向?qū)ㄌ匦源媪似胀∕OSFET體二極管的續(xù)流作用,但其較高的反向?qū)▔航狄鹆诵碌膯栴}。 
問題1:反向?qū)▔航递^大。當(dāng)?shù)投薋ET 導(dǎo)通時(shí), VCC通過自舉二極管對(duì)自舉電容進(jìn)行充電,充電后的電容為高端FET提供偏置,該技術(shù)運(yùn)用到GaN FET 時(shí),自舉電容兩端的電壓:Vboot = Vcc-VF + Vsd _ Q1 。VF為二極管壓降, VCC通常為 5V,由于 Vsd_Q1會(huì)隨著負(fù)載電流的增加而迅速增加, 使得Vboot的值會(huì)很快上升至超出最大電壓6V ,高端FET受損。

問題2:反向?qū)ㄔ斐奢^大損耗, 降低了系統(tǒng)效率。反向?qū)〞r(shí)柵源電壓決定了反向?qū)ǖ拈_啟程度, 柵源電壓的負(fù)向過沖造成反向?qū)ǖ淖杩乖龃?,如此造成大?fù)載電流時(shí)的功率管熱損耗非??捎^,所以需要負(fù)向過沖盡量小。

(4) 開關(guān)電源之EMI 問題
由于GaN可以工作在較高的頻率,所以存在較大的dV/dt。這將會(huì)引起嚴(yán)重的EMI 問題??梢圆捎脭U(kuò)頻或者柵極分段驅(qū)動(dòng)的方式,進(jìn)行改善。同樣該方法可以解決問題(1)中提及的柵極振蕩引起的誤動(dòng)作問題。

針對(duì)上述問題,開關(guān)電源IC供應(yīng)商提供的解決方案是將上述提到的FET,驅(qū)動(dòng)器以及為開關(guān)提供支持的無源器件封裝在同一個(gè)模塊中,這樣將會(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。
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(jí),甚至更多。

另外還需要針對(duì)基于開關(guān)電源GaN設(shè)計(jì)的磁性元件設(shè)計(jì),因?yàn)槟壳按判栽匀辉诠璨牧纤鶎?shí)現(xiàn)的頻率下工作。開關(guān)電源制造商和GaN研究機(jī)構(gòu)通力協(xié)作,隨著基于GaN的開關(guān)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(qǐng)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)界就能夠在很多開關(guān)電源應(yīng)用中充分利用GaN所帶來的優(yōu)勢(shì)。