寬禁帶-未來的材料?

功率幾乎是每一個電子設計中的共同主題，有效地管理和使用功率是現(xiàn)代面臨的挑戰(zhàn)之一。在汽車中越來越普遍，它可以存儲我們生產的難以置信的數(shù)據(jù)，從自然中獲取能量，也可以應用在我們使用的每一個小型便攜式設備中幫助我們管理繁忙的日常生活。

任何功率解決方案的核心都是半導體開關器件。一般情況下，這些半導體開關器件都是由硅材料制造的，但它們已經達到了一個臨界點，即不太可能進一步提高效率，而替代材料正在開發(fā)中。所謂的寬禁帶(WBG)材料已經出現(xiàn)，可以將DC/DC轉換器的效率從85%提高到95%左右，或者將DC/AC逆變器的效率從96%提高到99%，這是一個顯著的進步。

氮化鎵(GaN)是首批商業(yè)化的WBG材料之一，通常用于高電子遷移率晶體管(HEMT)。與硅基超結晶體管相比，GaN基HEMT由于有較低的輸入和輸出電容(Ciss和Coss)，所以可以提供更低的開關損耗。由于米勒電容低，開關速度也更快，意味著可以使用更高的頻率拓撲，從而減少組件的大小、重量和成本，特別是磁性器件。此外，與硅相比GaN還具備較低的抗壓強度，減少了靜態(tài)損耗，降低了設備的熱量的優(yōu)勢。因此，器件尺寸可以更小，可以減少熱管理的成本和規(guī)模(如散熱器或風扇)，從而進一步降低系統(tǒng)的大小和成本。

氮化鎵的商業(yè)化

到目前為止，GaN的可用性和使用都相對有限。在某種程度上，這是由于硅基超結晶體管將優(yōu)點擴展到了性能可接受的程度。另一個因素可能也是最重要的因素：由于銷量低導致其成本高。但這種情況正在改變，隨著用戶對功率的性能和效率的要求越來越高，設計者們除了采用GaN技術外別無選擇，所以越來越多的使用和技術的進一步發(fā)展，規(guī)模經濟開始使這些器件在商業(yè)化上更加可行，這將導致更多的使用同時進一步降低成本。

GaN功率晶體管有兩種主要類型：需要負柵極電壓(相對于漏極和源電位)來關閉的常開耗盡型器件，以及需要正柵極電壓來開啟的常關增強型器件。對于耗盡型GaN FETs，需要仔細考量的一個方面是起始相。在半橋式拓撲中，上下開關通常會造成短路，因此必須首先啟動柵極控制電路，以對GaN FETs施加一個負偏壓，以避免供電短路。

或者可以在cascode配置中將耗盡型GaN晶體管與低壓Si MOSFET一起使用。在此方法中，GaN晶體管源極與Si MOSFET漏極連接，Si MOSFET源極連接到GaN晶體管柵極，如圖1所示。當硅MOSFET柵極沒有偏置時，其漏源電壓(Vds)會對GaN晶體管柵極產生負偏，從而使器件處于關閉狀態(tài)。GaN FETs可以在cascode配置中共同打包。

圖1：Cascode使GaN的常關型器件有性能優(yōu)勢

另一種消除啟動短路的方法是使用常關的增強型GaN HEMT。GaN Systems GS66516B是一種650V器件，它的工作原理是從低(0-6V)柵電壓運行，從而簡化了設計挑戰(zhàn)。盡管柵極電壓較低，但該器件能承受從-20V到+10V的柵極瞬變電壓。該器件允許運行速度高達10MHz，并在其底部的冷卻包中提供6個觸點，非常適合現(xiàn)代電源應用。GS66516B可以處理高達10 A的漏源電流,開啟25 m?電阻。

轉換電路的設計

設計人員為確保器件正常運行必須使器件完全開啟和完全關閉。為了實現(xiàn)這一點，需要一個匹配的柵極驅動，這在所有的功率器件中都很常見的。考慮的一個基本因素是確保器件在開啟時柵極驅動快速地對晶體管的柵極電容進行充電，而不產生瞬時振蕩或過載。同樣的情況也適用于器件關閉：在橋式結構中直通短路是另一個潛在的問題，通過確保時滯時間可有效控制并使驅動電路的性能的一致，從而避免這個問題。

在為GaN器件設計驅動電路時，必須考慮允許的最大柵電壓、柵極閾值電壓和體二極管的壓降。對于增強模GaN器件，如GS66516B，6V柵極源電壓是MOSFET的一半，使turn-on/turn-off的電壓和電流的產生變得簡單得多。晶體管的本征體二極管的正向壓降大約比Si MOSFETs高1伏。由于溫度系數(shù)較低，對補償電路的要求也比較簡單。

GaN器件通常比MOSFETs快，這也成為RDS(ON)的原因。turn-on時間通常是4倍快，而turn-off時間是兩倍快。在系統(tǒng)級上，盡管需要額外的驅動電路，但由于提高了動態(tài)性能，導致dV/dt速率可以超過100V/ns。在過渡相過程中極有可能創(chuàng)造直通的條件，將會影響系統(tǒng)的效率。

調整柵極驅動的負載電阻可以實現(xiàn)最快的相轉換時間，而不會產生其他的損耗。通過優(yōu)化這一電阻，減少了過沖和振蕩，從而避免了誤開 /關，也顯著減少了電磁干擾。在實際應用中，為了進一步減少高頻的LC振蕩，設計者可能希望加入鐵氧體器件與柵極串聯(lián)，并考慮在柵極源路徑上使用RC“減振器”。

圖2和圖3給出了GaN晶體管的turn-on/ turn-off 性能的圖形化概述，并顯示了可靠操作需要考慮的主題。

圖2：開啟GaN晶體管時需考慮的因素

(Source: GaN Systems)

圖3：GaN晶體管的關斷狀態(tài)

(Source: GaN Systems)

對于低閾值電壓的GaN器件，可以通過拆分驅動的pull-up / pull-down連接分別優(yōu)化turn-on / turn-off的性能，從而允許插入一個分立電阻器。

圖4：分別優(yōu)化turn-on和turn-off電阻來最小化不良影響

除了優(yōu)化穩(wěn)定性外，補償柵極turn-on / turn-off的電阻比值也將確保最高水平的驅動性能。turn-on電阻的范圍為10到20Ω。如果數(shù)值太大會降低turn-on的轉換速率，從而降低開關速度和增加功率損耗。如果轉換速率過高，則會出現(xiàn)柵極振蕩和帶來損耗的米勒效應。為了在最小阻抗的情況下實現(xiàn)快速、穩(wěn)健的關斷，turn-off電阻應該大約為turn-on電阻的10%。

柵極驅動的選擇

TI的LMG1205柵極驅動IC設計用于解決驅動GaN器件時出現(xiàn)的大部分問題，同時具有足夠的靈活性，使設計人員能夠對切換速度和其他參數(shù)進行設計調整，以適應所選的開關器件。LMG1205已經過優(yōu)化可用于增強型GaN開關，并可用于同步buck、boost或半橋拓撲，在這些拓撲中，LMG1205將驅動高壓側和低壓側開關，每側都有獨立的輸入，從而具有最大的靈活性。

低傳輸延遲(通常為35ns)匹配到1.5ns的通道之間，從而避免了直通短路問題并確保了高效率。LMG1205具有分柵輸出的特性，使電流單獨優(yōu)化并可以拉電流1.2A / 灌電流 5.0A在快速轉換過程中將防止不理想的啟動。

有幾種器件專門設計用于GaN的使用，是LMG120G的替代品。其中包括Silicon Labs Si827x系列，模擬器件ADuM4223A/B系列和Maxim MAX5048C。

但是，現(xiàn)有的低頻MOSFET驅動可以替代專用的GaN器件，只要性能和特性滿足GaN器件的需要。

除了選擇正確的柵極驅動器和實現(xiàn)所需的驅動電路之外，高速電路的所有通常需考慮因素仍然適用。例如，必須注意布局，保持驅動在物理上靠近開關器件，以最小化雜散和不希望的耦合。在某些應用中，可使用kelvin-source連接來最小化共源電感。在其他應用中，使用電流隔離的電源軌可能是有益的。

總結

寬禁帶器件如600V的GaN功率晶體管已經商業(yè)化，使所有的設計者都能獲得性能上的好處。用GaN器件獲得更快的速度意味著需要對基本的高頻模擬有更好的理解。然而，為了充分利用新器件，設計者必須仔細選擇驅動芯片，并通過相關電路的設計以確保正確的開關。