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「」还用硅干什么？GaN才是高能效、高频电源设计的首选

在所有电力电子应用中 ， 功率密度是关键指标之一 ， 这主要由更高能效和更高开关频率驱动 。随着基于硅的技术接近其发展极限 ， 设计工程师现在正寻求宽禁带技术如氮化镓（GaN）来提供方案 。
对于新技术而言 ， GaN本质上比其将取代的技术（硅）成本低 。GaN器件与硅器件是在同一工厂用相同的制造程序生产出 。因此 ， 由于GaN器件小于等效硅器件 ， 因此每个晶片可以生产更多的器件 ， 从而降低了每个晶片的成本 。
GaN有许多性能优势 ， 包括远高于硅的电子迁移率（3.4eV对比1.1eV） ， 这使其具有比硅高1000倍的电子传导效率的潜力 。值得注意的是 ， GaN的门极电荷（QG）较低 ， 并且由于必须在每个开关周期内对其进行补充 ， 因此GaN能够以高达1 MHz的频率工作 ， 效率不会降低 ， 而硅则难以达到100 kHz以上 。此外 ， 与硅不同 ， GaN没有体二极管 ， 其在AlGaN / GaN边界表面的2DEG可以沿相反方向传导电流（称为“第三象限”操作） 。因此 ， GaN没有反向恢复电荷（QRR） ， 使其非常适合硬开关应用 。
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图1：GaN经优化实现快速开关
GaN确实具有有限的雪崩能力 ， 并且比硅更容易受到过电压的影响 ， 因此极其适用于漏-源电压（VDS）钳位在轨电压的半桥拓扑 。无体二极管使GaN成为硬开关图腾柱功率因数校正（PFC）的很好的选择 ， 并且GaN也非常适用于零电压开关（ZVS）应用 ， 包括谐振LLC和有源钳位反激 。
45 W至65 W功率水平的快速充电适配器将得益于基于GaN的有源钳位反激 ， 而基于LLC的GaN用于150 W至300 W的高端笔记本电脑电源适配器中 ， 例如用于游戏的笔记本电脑 。在这些应用中 ， 使用GaN技术可使功率密度增加一倍 ， 从而使适配器更小、更轻 。特别地 ， 相关的磁性元器件能够减小尺寸 。例如 ， 电源变压器内核的尺寸可从RM10减小为RM8的薄型或平面设计 。因此 ， 在许多应用中 ， 功率密度增加了一倍甚至三倍 ， 达30 W / in3 。
在更高功率的应用中 ， 例如为服务器、云和电信系统供电的电源 ， 尤其是基于图腾柱PFC的电源 ， 采用GaN可使能效超过99％ 。这使这些系统能够满足最重要的（和严格的）能效标准 ， 如80+ titanium 。
驱动GaN器件的方法对于保护相对敏感的栅极氧化物至关重要 。在器件导通期间提供精确调节的门极驱动幅值尤为重要 。实现此目的的一种方法是添加低压降稳压器（LDO）到现有的硅MOSFET门极驱动器中 。但这会损害门极驱动性能 ， 因此 ， 最好使用驱动GaN的专用半桥驱动器 。
更具体地说 ， 硅MOSFET驱动器的典型传输延迟时间约为100 ns ， 这不适合驱动速度在500 kHz到1 MHz之间的GaN器件 。对于此类速度 ， 理想情况下 ， 传输延迟应不超过50 ns 。
由于电容较低 ， 因此在GaN器件的漏极和源极之间有高电压转换率 。这可能导致器件过早失效甚至发生灾难性故障 ， 尤其是在大功率应用中 。为避免这种情况 ， 必须有高的dv / dt抗扰度（在100 V / ns的范围内） 。
PCB会对GaN设计的性能产生实质性影响 ， 因此经常使用RF型布局中常用的技术 。我们还建议对门极驱动器使用低电感封装（如PQFN） 。
安森美半导体的NCP51820是业界首款半桥门极驱动器 ， 专门设计用于GaN技术 。它具有调节的5.2 V门极驱动 ， 典型的传输延迟仅为25 ns 。它具有高达200 V / ns的dv / dt抗扰度 ， 采用低电感PQFN封装 。
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图2：NCP51820高性能、650 V半桥门极驱动器用于GaN电源开关


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