實現更加高效的電力轉換是應對當前增長的人口和能源需求的一個關鍵技術目標。

 

能夠有效推動這一目標達成的重要創新就是在電源應用中使用氮化鎵 (GaN)。GaN是一種已經成熟的半導體材料，廣泛應用于LED照明，并在無線應用中發揮越來越重要的作用。目前，隨著工藝的進步和缺陷率的不斷降低，GaN在交直流電力轉換、改變電壓電平、并且以一定數量的函數確保可靠電力供應的電子電源中的優勢越來越明顯。

 

基于GaN的開關功率晶體管可實現全新電源應用，與之前使用的硅材料 (Si) 晶體管相比，在高壓下運轉時，性能更高，損耗更低。GaN的高頻操作特性可以在保持高效率的同時提高性能。GaN器件使用的是一種適合于現有硅制造流程的硅上氮化鎵(GaN-on-Si) 工藝。如果尺寸更為小巧的GaN器件能夠實現同樣的電流功能，那么較終GaN晶體管就會和硅材料晶體管具有同樣性價比。這將增大GaN器件對于大型工業設備到較小型手持類設備等各類系統的吸引力。由于它在這些方面的優點，GaN將首先在更高性能電源設計中占據一席之地。這些設計在工作頻率和精確開關特性方面要求嚴格。然而，GaN在更高效電源轉換方面的發展前景一定能夠滿足這方面的要求。

 

目前，電源設計人員正在重新思考他們設計的電路，試圖尋找能充分發揮全新GaN晶體管潛能又能避免負面影響的方法來創造電源系統。思考這類問題時通常的思路是在現有組件中尋找解決方案—GaN開關，Si開關驅動器，高速開關控制器，以及功率電感器、變壓器和電容器等均是總體設計中的部件。生產電源產品的集成電路 (IC) 制造商如果能用共同設計的器件提供系統級解決方案，甚至在模塊封裝中集成多個芯片，就能夠大大提高了客戶的設計可能性。

 

德州儀器作為行業領先的電源應用IC解決方案供應商，在提供這些類解決方案具有很大的優勢。借助其創新型制造工藝、電路和封裝技術，TI不斷為那些希望較大限度發揮GaN作用的設計人員提供所需器件。

 

GaN在電源鏈中的位置

 

大多數常見的電子設備由開關模式電源 (SMPS) 供電運行，這些電源將交流電高效地轉換為直流電（AC到DC），并且將110-120V或者220-240V的分級線電壓降壓至12V，5V，3.3V，以及系統組件需要的更低電壓。這些功能通常用于消費類電子設備和數據中心，但是SMPS也被用于DC至DC轉換，并且用于生成可再生能源逆變器中的更高電壓電平，以及汽車電子設備，工業設備和其它類型的高功率系統。

 

圖1顯示的是一個普通SMPS的流程圖。一個輸入電壓，通常為高壓低頻交流電，被整流為直流電。線路濾波器用于阻斷電源中逐漸形成的高頻率，阻止其傳送回源線路。一個高頻電源開關—SMPS的核心—將DC信號轉換為一個脈沖電壓波形。開關的輸出被轉換為所需的電壓，并被過濾為低壓系統所要求的穩定輸出電平。控制器用輸出反饋提供脈寬調制 (PWM) 信號給電源開關驅動器，從而提供穩壓功能。信號的脈寬隨負載要求的變化而增加或減少。

 

 

一直以來電源開關都是硅材料MOSFET（金屬氧化物半導體場效應晶體管）所制，但是現在正被GaN FET所取代。

 

根據系統要求的不同，可使用很多種不同的設計拓撲結構，對電源開關的安排也將有所不同，從單FET升壓轉換器，包含兩個FET的設計，較多到四個FET的全橋轉換器。此開關和其轉換器形成了一個非常靈敏的設計區域，它們必須在控制器的指令下精確執行相關功能。如果不能做到這一點的話，電源系統就會變得不穩定。此外，已調制電壓的快速上升和下降有可能導致噪音進入反饋回路，從而造成電源系統不穩定。

 

對于所有電網連接的系統的一個要求就是電網內與系統外的隔離，以便為下游設備提供安全保護。另外一個注意點則是電源轉換的高頻運行一定不能干擾電網的電力傳輸，也不能在供電線路上生成噪聲。GaN器件滿足了這一隔離要求，并且通過較高頻率運行減少了電磁干擾。這個較高頻率可以減少隔離變壓器和輸入濾波器的大小。

 

GaN在SMPS系統中的應用優勢

 

GaN相較于硅在電源開關方面擁有的一個重要優勢是其在高電壓下更低的損耗。它的打開和關閉所需電能也更少。在過去幾年間，Si開關的性能已大幅提高，但在相同尺寸和高壓下，GaN提供的重大改進是Si不太可能達成的。目前，Si MOSFET對于GaN來說有相當大的成本優勢，但是隨著時間的推移，這一成本方面的差異將會縮小。

 

GaN開關器件支持寬范圍的工作電壓。它們使電源設計人員能夠在保持極大范圍輸入和輸出電壓的所需頻率的同時以較高頻率運行，從而減小了解決方案的物理尺寸。GaN較適合的應用往往是那些需要盡可能小尺寸的電源解決方案。

 

圖2顯示了GaN晶體管的基本結構。正如之前所談到的，GaN材料位于一塊Si基板上。這種設計可以使我們在充分利用GaN的同時，也可以獲得Si處理的數十年發展所帶來的優勢。其中一個優勢就是較高的帶隙電壓。

 

 

半導體區別于其它材料的主要特性是帶隙能—將材料從絕緣體變為導體所需的電壓跳變。GaN提供的3.2電子伏特 (eV) 的帶隙能大約是Si所能提供的帶隙能的3倍。理論上，更高的帶隙意味著較高溫度下的更佳性能，其原因是在物質變為導電前可耐受更多的熱量。今后，這一特性有可能提升汽車、工業和其它高溫環境中的GaN性能。

 

SMPS設計中的GaN學習曲線

 

盡管GaN優勢眾多，這項技術才剛剛開始在電源設計中找到用武之地。之前LED和無線應用中的GaN讓人們看到了將這項技術用于電源應用的希望。但是，要把GaN用在功率FET中曾經需要重大的工藝和器件開發，而這些開發已經延緩了相關產品的發展。此外，全新FET與之前使用的Si材料器件間的不同使得IC供應商和系統設計人員不得不小心前行，逐步解決設計難題。傳統GaN器件通常處于接通或耗盡模式，而Si MOSFET是一般情況下處于關閉狀態的增強模式器件。為了提供針對Si MOSFET的直接替代器件，GaN FET開關供應商或者重新設計他們的產品，使其可在在增強模式運行，或者使用另外的開關與其串聯，以提供正常的關閉功能。

 

用GaN FET替代Si MOSFET只是重新設計的開始。GaN晶體管的高頻處理能力要求開關驅動信號具備更大計時精度，而這些開關對于封裝、互連和外部源的寄生阻抗高度敏感。可高速開閉GaN開關的集成型硅基GaN驅動器已經推動著采用GaN的SMPS設計向前發展。成熟的Si處理可實現這些非常精確的、高頻可調諧驅動器的開發。

 

例如，TI的LM5113柵極驅動器曾經被設計用來控制處于中等電壓電平的高端和低端增強模式GaN電源開關。此柵極驅動器集成了優化GaN開關性能的所需組件。這一集成不但減少了電路板空間，還有助于簡化設計。除了用較小延遲來實現高精度驅動計時，此器件還提供重要保護功能，以實現GaN開關的高效、精確運行。例如，自舉鉗位將柵源電壓保持在安全工作范圍內；高電流下拉提升了dv/dt抗擾度，并且避免了低端的意外激活；單獨的源/灌引腳優化了接通和關閉次數，從而實現高效率和低噪聲；而快速傳播延遲匹配在開關處于轉換中時優化了死區時間。

 

針對啟用GaN的SMPS設計的系統級解決方案

 

通過與快速、精確電源管理控制組合在一起，GaN柵極驅動器極大地推動了啟用GaN的 SMPS設計的發展。然而，柵極驅動器本身所能優化的程度有限。在驅動器和GaN開關之間，即使是較短的走線也會可能因為設計的變化產生延遲。

 

未來的IC解決方案將需要控制因布局布線和無源組件的設計所導致的易變性問題，因為這對驅動器與開關的耦合很重要。由于這兩類器件基于屬性完全不同的材料，未來將不太可能把它們集成在單個芯片（裸片）上。然而，集成了FET、驅動器以及為開關提供支持的無源器件的單封裝模塊（圖3）將會極大地減少SMPS的大小和組件數量。物理尺寸的減少也將意味著系統制造成本的降低，以及基于GaN設計的高效率。

 

 

降低設計復雜度與縮小解決方案尺寸同樣重要。一個驅動器開關模塊將芯片間的連接線減小到盡可能短的長度，從而較大限度地縮短了延遲時間，并減少了那些使開關脈沖輸出失真的寄生阻抗。一款設計良好的模塊將大大減少多芯片設計的寄生因子，其中的某些因子會減少一個數量級，甚至更多。

 

提供系統級解決方案的另外一個重要因素是控制器-穩壓器，這款器件必須在GaN支持的高頻率下運行，必須實時地對輸出電壓的變化做出響應。其時間分辨率也必須符合精確脈寬要求，以較大限度地減小死區時間內的傳導損耗。幸運的是，現有的數字電源控制器可以滿足這些要求，從而提供可被用于系統其它位置的額外性能和I/O功能。TI提供數字電源控制方面的全面專業知識，這些知識與公司的電源技術一起，提供針對GaN穩壓和受控開關的系統級解決方案。

 

另外還需要針對基于GaN設計的磁性元件，因為目前磁性元件仍然在硅材料所實現的頻率下工作。TI與電源制造商和GaN研究機構通力協作，不斷地敦促磁性元件供應商提供這些組件，但是這項工作在很大程度上取決于市場的需求。隨著基于GaN的電源組件不斷上市，并且供應量在不斷的增加，磁性元件供應商將會收到客戶的大量請求，要求他們引入支持這項技術的組件。一旦條件成熟，業界就能夠在很多電源應用中充分利用GaN所帶來的優勢。

 

針對未來需求的GaN創新

 

全球人口數量的不斷增長和快速發展，對電力的需求持續增加，與此同時，環境問題也需要我們在提高能源使用效率方面做出更大努力。隨著我們不斷地嘗試滿足這些需求，我們的家園將從這些創新中受益，幫助我們更高效地傳送、轉換和使用電力資源，而這些技術也將改進和提升我們的生活品質。

 

GaN就是這樣一種創新，通過較大限度地降低電力轉換方面的功率損耗，它必將提高我們的能源使用效率。為了應對GaN所帶來的挑戰，TI正在充分利用其在電源產品和技術方面的領先優勢以及在研發方面的承諾，創建解決方案，來減少高頻電源轉換中出現的復雜問題。這些差別化的解決方案將有助于簡化設計、節省空間并減少組件數量，同時也較大限度地減少那些影響高效運行的信號延遲和雜散干擾。

 

隨著具有這些應用優勢的產品的出現，SMPS開發人員將能夠加快高性能系統的上市時間。這些系統的成功應用將推動GaN進入高功率、工業級終端設備，以及低功率大眾市場等全新的應用領域。系統級解決方案的模塊和其它關鍵部件將幫助我們充分發揮GaN技術在提高電源效率方面的作用。