在電源應(yīng)用中使用氮化鎵(GaN)是一大重要?jiǎng)?chuàng)新，有希望為實(shí)現(xiàn)高效電力轉(zhuǎn)換這一目標(biāo)做出重大貢獻(xiàn)。GaN是一種已經(jīng)投入使用的半導(dǎo)體材料，廣泛應(yīng)用于LED照明領(lǐng)域和日益重要的無(wú)線領(lǐng)域中。隨著工藝進(jìn)步和故障率的提高，GaN在交流與直流電源轉(zhuǎn)換、電平轉(zhuǎn)換等應(yīng)用上提供了很多的優(yōu)勢(shì)。

與以前使用的硅(Si)晶體管相比，基于GaN的開(kāi)關(guān)功率晶體管可以在高電壓下工作，具有更高的性能和更低的損耗。

GaN能夠在高頻條件下工作并保持高性能、高效率。GaN器件采用了適于現(xiàn)有Si制造流程的GaN-on-Si工藝。由于GaN器件在相同電流能力下的體積要小得多。

因此，與Si等效材料相比，GaN晶體管具有更優(yōu)秀的成本效益，這將使得GaN器件的應(yīng)用從大型工業(yè)設(shè)備到小型化的手持設(shè)備都具有吸引力。高性能電源設(shè)計(jì)不僅要求更高的工作頻率，并同時(shí)實(shí)現(xiàn)精確的開(kāi)關(guān)特性，而GaN巨大的優(yōu)勢(shì)正在推動(dòng)著高效電源轉(zhuǎn)換時(shí)代的來(lái)臨。

今天，電源設(shè)計(jì)人員開(kāi)始重新思考他們的電路設(shè)計(jì)，尋找能夠充分利用新型GaN晶體管潛力的電源系統(tǒng)的方法，同時(shí)避免有害因素的影響。

傳統(tǒng)的解決方案通常從組件本身著手，如GaN開(kāi)關(guān)、Si開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器、高速開(kāi)關(guān)控制器、功率電感器、變壓器和電容器等；研發(fā)電源產(chǎn)品的集成電路(IC)制造商能夠通過(guò)提供協(xié)作式的系統(tǒng)級(jí)解決方案，為客戶實(shí)現(xiàn)大幅度的性能設(shè)計(jì)提升，甚至將多個(gè)芯片集成到模塊化的封裝中。

大多數(shù)電子設(shè)備都采用開(kāi)關(guān)電源(SMPS)，能夠有效地將交流電轉(zhuǎn)換為直流電(AC to DC)和步進(jìn)電壓110-120V、220-240V或12-、5-、3.3-V等系統(tǒng)需要的供電范圍；

這些功能對(duì)于消費(fèi)電子和數(shù)據(jù)中心來(lái)說(shuō)都是非常典型的，SMPS也用于直流到直流的轉(zhuǎn)換以及可再生能源逆變器、汽車電子、工業(yè)設(shè)備和其它類型的大功率系統(tǒng)中。

圖1展示了一個(gè)典型SMPS的工作流程框圖。SMPS將輸入電壓(通常是高電壓和低頻率的交流電)整流為直流電，電源線路濾波器用于阻止電源中產(chǎn)生的高頻分量在傳輸過(guò)程中反射回來(lái)，高頻電源開(kāi)關(guān)(SMPS的核心)將直流信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖電壓波形，并在低電壓系統(tǒng)需要的電平上進(jìn)行穩(wěn)壓濾波輸出。

來(lái)自輸出的反饋控制器用于向功率開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器提供脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)功能；隨著負(fù)載需求的變化，信號(hào)脈沖寬度會(huì)逐漸增大或減少。

傳統(tǒng)上的電源開(kāi)關(guān)都是采用硅MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)，但現(xiàn)在正在被GaN FET所取代。

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，可以使用各種各樣的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在電源開(kāi)關(guān)的布置上從singleFET升壓轉(zhuǎn)換器到多個(gè)雙FET設(shè)計(jì)，最多達(dá)到4個(gè)FET全橋轉(zhuǎn)換器。

開(kāi)關(guān)及其驅(qū)動(dòng)器是整個(gè)設(shè)計(jì)中非常敏感的部分，因?yàn)樗鼈儽仨毎凑湛刂破鞯闹噶罹_地完成每一項(xiàng)操作，否則電源系統(tǒng)的工作會(huì)變得不穩(wěn)定。

此外，由于調(diào)制電壓的快速上升和下降，噪聲被注入到反饋回路中，也會(huì)導(dǎo)致電源系統(tǒng)的不穩(wěn)定。所有并網(wǎng)系統(tǒng)的一個(gè)要求是隔離來(lái)自電網(wǎng)的部分和提供給電力系統(tǒng)使用的部分，從而保證用戶設(shè)備的使用安全。

另一個(gè)問(wèn)題是不能允許電源轉(zhuǎn)換過(guò)程中的高頻操作干擾電網(wǎng)能量的傳輸，在電源傳輸線上產(chǎn)生不必要的噪聲。

GaN器件通過(guò)在更高頻率上的轉(zhuǎn)換操作解決了這種隔離上的要求，有效降低了電磁干擾的影響；在更高頻率上的轉(zhuǎn)換可以減小隔離變壓器和輸入濾波器的尺寸。

在電源開(kāi)關(guān)的應(yīng)用上，GaN具有比硅材料更重要的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)镚aN能夠在更高的電壓下提供更低的損耗，在開(kāi)關(guān)切換時(shí)使用的能量也更少。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展Si開(kāi)關(guān)已經(jīng)得到了很大的改進(jìn)，但是在相同的尺寸和電壓條件下，GaN具有的卓越性能是Si器件無(wú)法媲美的。

目前Si MOSFET與GaN相比具有一定的成本優(yōu)勢(shì)，但隨著時(shí)間的推移，成本差異將會(huì)越來(lái)越小。

GaN開(kāi)關(guān)器件的工作電壓范圍非常寬，因此電源設(shè)計(jì)人員能夠在很寬的輸入輸出電壓范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高的開(kāi)關(guān)頻率，同時(shí)在較小的物理尺寸上達(dá)到期望的設(shè)計(jì)效率。GaN最具有價(jià)值的應(yīng)用是在盡可能小型化的電源解決方案上。

圖2為GaN晶體管的基本結(jié)構(gòu)圖。從前面的討論可以知道，GaN材料位于Si襯底上，這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是既能夠充分利用數(shù)十年Si處理的優(yōu)勢(shì)，又能夠發(fā)揮新材料GaN的特長(zhǎng)，其中一個(gè)好處是能夠?qū)崿F(xiàn)更高的帶隙電壓。

半導(dǎo)體是一類特殊的材料，因?yàn)閹赌芰渴悄軌驅(qū)⒃擃惒牧蠌慕^緣體改變?yōu)閷?dǎo)體所需的電壓躍變。GaN提供的3.2電子伏特（eV）的帶隙能量幾乎是Si的三倍。

從理論上說(shuō)，較高的帶隙能量意味著在較高溫度下具有更好的性能，因?yàn)樵谠撐镔|(zhì)變成導(dǎo)體之前可以維持更多的熱量；這種固有的性能有望在未來(lái)改善汽車、工業(yè)和其它高溫環(huán)境下的器件性能。

雖然GaN具有很多的優(yōu)點(diǎn)，但這項(xiàng)技術(shù)只是剛開(kāi)始進(jìn)入電源設(shè)計(jì)領(lǐng)域。以前在LED和無(wú)線領(lǐng)域的應(yīng)用可能給人一種印象，即GaN在電源設(shè)計(jì)上的應(yīng)用已經(jīng)具備了較好的條件。

而實(shí)際上，在電源FET中使用GaN需要重大的工藝和器件開(kāi)發(fā)，使得該類產(chǎn)品的研制進(jìn)展緩慢。新型FET與Si器件的差異使得IC供應(yīng)商和系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在研制階段謹(jǐn)慎行事，逐步解決設(shè)計(jì)中遇到的各種復(fù)雜問(wèn)題。

傳統(tǒng)的GaN器件通常處于開(kāi)啟狀態(tài)或處于耗盡模式，而硅MOSFET則是關(guān)斷的增強(qiáng)型器件。為了提供硅MOSFET的直接替換，GaN FET開(kāi)關(guān)供應(yīng)商重新設(shè)計(jì)了他們的產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)模式下工作，或者使用一種串聯(lián)開(kāi)關(guān)來(lái)提供常關(guān)功能。

用GaN FET取代Si MOSFET只是重新設(shè)計(jì)的開(kāi)始，GaN晶體管的高頻能力要求開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)具有更高的時(shí)序精度，此外，開(kāi)關(guān)對(duì)來(lái)自封裝、互聯(lián)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驅(qū)動(dòng)器可以高速開(kāi)啟和關(guān)閉GaN開(kāi)關(guān)，有助于推動(dòng)GaN開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)。成熟的硅工藝使得這些極其精確、高頻可調(diào)的驅(qū)動(dòng)器開(kāi)發(fā)成為了可能。

例如，TI的LM5113柵極驅(qū)動(dòng)器就是為了控制中高電平的高端和低端增強(qiáng)型GaN電源開(kāi)關(guān)，柵極驅(qū)動(dòng)器集成了所需的元器件以達(dá)到性能優(yōu)化的目的，這種集成不僅可以減少電路板空間，還能有助于簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。

除了以最小的延遲實(shí)現(xiàn)高精度驅(qū)動(dòng)時(shí)序外，該器件還為GaN開(kāi)關(guān)的高效精確操作提供重要保護(hù)。例如，自舉鉗位將柵極-源極電壓保持在安全的操作區(qū)域；大電流下拉可提高dv/dt抗擾度，防止意外的低端激活；獨(dú)立的源極和漏極引腳可以優(yōu)化導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間以提高效率、降低噪聲；而快速傳播延遲匹配能夠優(yōu)化開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)的死區(qū)時(shí)間。

結(jié)合快速、精確的電源管理控制，GaN柵極驅(qū)動(dòng)器具有相當(dāng)先進(jìn)的基于GaN的SMPS設(shè)計(jì)。因此，柵極驅(qū)動(dòng)器本身的優(yōu)化程度限制了SMPS性能的提升，即使在驅(qū)動(dòng)器與GaN開(kāi)關(guān)之間的最短可能走線也會(huì)導(dǎo)致延遲時(shí)間隨設(shè)計(jì)變化。

未來(lái)的IC解決方案將需要控制由無(wú)源器件的布局和設(shè)計(jì)引起的可變性問(wèn)題，因?yàn)檫@些對(duì)于驅(qū)動(dòng)器和開(kāi)關(guān)的耦合特性至關(guān)重要。由于以上討論的兩種器件是基于不同材料的，特性差別很大，因此在不久的將來(lái)，將它們集成在一個(gè)芯片上的成本可能仍然會(huì)比較高。

然而，集成FET、驅(qū)動(dòng)器和支持開(kāi)關(guān)的無(wú)源器件的單封裝模塊（如圖3所示）將大大減少SMPS的面積和元件數(shù)量；這種尺寸的減小也意味著系統(tǒng)制造成本的降低以及GaN設(shè)計(jì)效率的提高。

與減小尺寸的解決方案一樣重要的是降低設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，驅(qū)動(dòng)器開(kāi)關(guān)模塊將減少芯片之間連接長(zhǎng)度、最小化延遲時(shí)間和寄生阻抗，從而減少開(kāi)關(guān)輸出脈沖波形的畸變。一個(gè)設(shè)計(jì)優(yōu)秀的模塊可以大大減少多芯片設(shè)計(jì)的寄生因素，甚至可能下降一個(gè)數(shù)量級(jí)或更多。

提供系統(tǒng)級(jí)解決方案的另一個(gè)重要因素是控制器-調(diào)節(jié)器，它必須在GaN所支持的高頻率下運(yùn)行，必須實(shí)時(shí)響應(yīng)輸出電壓的變化。時(shí)間分辨率還必須滿足精確的脈沖寬度要求，以盡量減少死區(qū)時(shí)間內(nèi)的傳導(dǎo)損耗。

幸運(yùn)的是，數(shù)字電源控制器可以支持這些要求，并提供額外的性能和I/O功能。TI在數(shù)字電源控制方面提供了全面的專業(yè)知識(shí)，結(jié)合公司的電源技術(shù)為GaN調(diào)節(jié)和控制開(kāi)關(guān)提供系統(tǒng)級(jí)解決方案。

此外還需要研究基于GaN設(shè)計(jì)的磁性元件，因?yàn)檫@些元件目前仍然是針對(duì)硅使能頻率定制的。TI公司與電源制造商和GaN研究機(jī)構(gòu)合作，根據(jù)市場(chǎng)的具體需求不斷向磁性元件供應(yīng)商提出新的設(shè)計(jì)要求。

隨著GaN電源器件的使用范圍不斷擴(kuò)大，磁性器件供應(yīng)商將以市場(chǎng)為導(dǎo)向改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)。一旦時(shí)機(jī)成熟，業(yè)界將能夠在許多電源應(yīng)用領(lǐng)域感受到GaN器件帶來(lái)的好處。

世界人口的不斷增長(zhǎng)和社會(huì)發(fā)展速度的加快，使得對(duì)電力的需求不斷增加，日益迫切的環(huán)境壓力迫使我們必須用更少的能源完成更多的事情。當(dāng)我們?cè)噲D解決這些需求時(shí)，世界發(fā)展將從創(chuàng)新中受益，這些創(chuàng)新幫助我們更有效地提供、轉(zhuǎn)換和消耗電力，從而產(chǎn)生改善我們生活的技術(shù)。

GaN就是這樣一種創(chuàng)新，通過(guò)它有望減少電源轉(zhuǎn)換中的功率損失，從而幫助我們從有限的能源中獲得更多的利益。為了應(yīng)對(duì)GaN的挑戰(zhàn)，TI正在充分利用其在研發(fā)方面的領(lǐng)先地位，創(chuàng)造出可減少高頻電源轉(zhuǎn)換帶來(lái)的復(fù)雜問(wèn)題的解決方案。這些差異化解決方案將有助于簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，節(jié)省空間并減少組件數(shù)量，同時(shí)最大限度地減少信號(hào)延遲和雜散干擾。

隨著這些優(yōu)勢(shì)產(chǎn)品的出現(xiàn)，SMPS研發(fā)人員將能夠以更快的速度推出更高性能的系統(tǒng)。高性能系統(tǒng)的成功將進(jìn)一步推動(dòng)GaN進(jìn)入新的應(yīng)用領(lǐng)域，包括高功率的工業(yè)設(shè)備和低功率的消費(fèi)品市場(chǎng)。系統(tǒng)級(jí)解決方案的模塊和其它關(guān)鍵部分將幫助我們實(shí)現(xiàn)GaN技術(shù)在電源效率方面提供的全部潛力。