實(shí)現(xiàn)更加高效的電力轉(zhuǎn)換是應(yīng)對(duì)當(dāng)前增長(zhǎng)的人口和能源需求的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)目標(biāo),。

        能夠有效推動(dòng)這一目標(biāo)達(dá)成的重要?jiǎng)?chuàng)新就是在電源應(yīng)用中使用氮化鎵 (GaN)。GaN是一種已經(jīng)成熟的半導(dǎo)體材料,，廣泛應(yīng)用于LED照明，并在無(wú)線應(yīng)用中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用,。目前,，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)的電子電源中的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越明顯,。

        基于GaN的開(kāi)關(guān)功率晶體管可實(shí)現(xiàn)全新電源應(yīng)用,，與之前使用的硅材料 (Si) 晶體管相比，在高壓下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),，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(shí)提高性能,。GaN器件使用的是一種適合于現(xiàn)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?qū)崿F(xiàn)同樣的電流功能，那么最終GaN晶體管就會(huì)和硅材料晶體管具有同樣性?xún)r(jià)比,。這將增大GaN器件對(duì)于大型工業(yè)設(shè)備到最小型手持類(lèi)設(shè)備等各類(lèi)系統(tǒng)的吸引力,。由于它在這些方面的優(yōu)點(diǎn)，GaN將首先在更高性能電源設(shè)計(jì)中占據(jù)一席之地,。這些設(shè)計(jì)在工作頻率和精確開(kāi)關(guān)特性方面要求嚴(yán)格。然而,，GaN在更高效電源轉(zhuǎn)換方面的發(fā)展前景一定能夠滿足這方面的要求,。

        目前，電源設(shè)計(jì)人員正在重新思考他們?cè)O(shè)計(jì)的電路,，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(lái)創(chuàng)造電源系統(tǒng),。思考這類(lèi)問(wèn)題時(shí)通常的思路是在現(xiàn)有組件中尋找解決方案—GaN開(kāi)關(guān),，Si開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器，高速開(kāi)關(guān)控制器,，以及功率電感器,、變壓器和電容器等均是總體設(shè)計(jì)中的部件。生產(chǎn)電源產(chǎn)品的集成電路 (IC) 制造商如果能用共同設(shè)計(jì)的器件提供系統(tǒng)級(jí)解決方案,，甚至在模塊封裝中集成多個(gè)芯片,，就能夠大大提高了客戶的設(shè)計(jì)可能性。

        德州儀器作為行業(yè)領(lǐng)先的電源應(yīng)用IC解決方案供應(yīng)商,，在提供這些類(lèi)解決方案具有很大的優(yōu)勢(shì),。借助其創(chuàng)新型制造工藝、電路和封裝技術(shù),，TI不斷為那些希望最大限度發(fā)揮GaN作用的設(shè)計(jì)人員提供所需器件,。

GaN在電源鏈中的位置

        大多數(shù)常見(jiàn)的電子設(shè)備由開(kāi)關(guān)模式電源 (SMPS)  供電運(yùn)行，這些電源將交流電高效地轉(zhuǎn)換為直流電（AC到DC）,，并且將110-120V或者220-240V的分級(jí)線電壓降壓至12V,，5V，3.3V,， 以及系統(tǒng)組件需要的更低電壓,。這些功能通常用于消費(fèi)類(lèi)電子設(shè)備和數(shù)據(jù)中心，但是SMPS也被用于DC至DC轉(zhuǎn)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(chē)電子設(shè)備，工業(yè)設(shè)備和其它類(lèi)型的高功率系統(tǒng),。

        圖1顯示的是一個(gè)普通SMPS的流程圖,。一個(gè)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(gè)高頻電源開(kāi)關(guān)—SMPS的核心—將DC信號(hào)轉(zhuǎn)換為一個(gè)脈沖電壓波形,。開(kāi)關(guān)的輸出被轉(zhuǎn)換為所需的電壓，并被過(guò)濾為低壓系統(tǒng)所要求的穩(wěn)定輸出電平,?？刂破饔幂敵龇答佁峁┟}寬調(diào)制 (PWM) 信號(hào)給電源開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器，從而提供穩(wěn)壓功能,。信號(hào)的脈寬隨負(fù)載要求的變化而增加或減少,。

        一直以來(lái)電源開(kāi)關(guān)都是硅材料MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管）所制，但是現(xiàn)在正被GaN FET所取代,。

        根據(jù)系統(tǒng)要求的不同,，可使用很多種不同的設(shè)計(jì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),，對(duì)電源開(kāi)關(guān)的安排也將有所不同，從單FET升壓轉(zhuǎn)換器,，包含兩個(gè)FET的設(shè)計(jì),，最多到四個(gè)FET的全橋轉(zhuǎn)換器。此開(kāi)關(guān)和其轉(zhuǎn)換器形成了一個(gè)非常靈敏的設(shè)計(jì)區(qū)域,，它們必須在控制器的指令下精確執(zhí)行相關(guān)功能,。如果不能做到這一點(diǎn)的話，電源系統(tǒng)就會(huì)變得不穩(wěn)定,。此外,，已調(diào)制電壓的快速上升和下降有可能導(dǎo)致噪音進(jìn)入反饋回路，從而造成電源系統(tǒng)不穩(wěn)定,。

        對(duì)于所有電網(wǎng)連接的系統(tǒng)的一個(gè)要求就是電網(wǎng)內(nèi)與系統(tǒng)外的隔離,，以便為下游設(shè)備提供安全保護(hù)。另外一個(gè)注意點(diǎn)則是電源轉(zhuǎn)換的高頻運(yùn)行一定不能干擾電網(wǎng)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(guò)較高頻率運(yùn)行減少了電磁干擾,。這個(gè)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(tǒng)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

        GaN相較于硅在電源開(kāi)關(guān)方面擁有的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)是其在高電壓下更低的損耗。它的打開(kāi)和關(guān)閉所需電能也更少,。在過(guò)去幾年間,，Si開(kāi)關(guān)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(jìn)是Si不太可能達(dá)成的,。目前，Si MOSFET對(duì)于GaN來(lái)說(shuō)有相當(dāng)大的成本優(yōu)勢(shì),，但是隨著時(shí)間的推移,，這一成本方面的差異將會(huì)縮小。

        GaN開(kāi)關(guān)器件支持寬范圍的工作電壓,。它們使電源設(shè)計(jì)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(shí)以較高頻率運(yùn)行,，從而減小了解決方案的物理尺寸。GaN最適合的應(yīng)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(jié)構(gòu),。正如之前所談到的，GaN材料位于一塊Si基板上,。這種設(shè)計(jì)可以使我們?cè)诔浞掷肎aN的同時(shí),，也可以獲得Si處理的數(shù)十年發(fā)展所帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)。其中一個(gè)優(yōu)勢(shì)就是較高的帶隙電壓。

        半導(dǎo)體區(qū)別于其它材料的主要特性是帶隙能—將材料從絕緣體變?yōu)閷?dǎo)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(zhì)變?yōu)閷?dǎo)電前可耐受更多的熱量。今后,，這一特性有可能提升汽車(chē),、工業(yè)和其它高溫環(huán)境中的GaN性能。

SMPS設(shè)計(jì)中的GaN學(xué)習(xí)曲線

        盡管GaN優(yōu)勢(shì)眾多,，這項(xiàng)技術(shù)才剛剛開(kāi)始在電源設(shè)計(jì)中找到用武之地,。之前LED和無(wú)線應(yīng)用中的GaN讓人們看到了將這項(xiàng)技術(shù)用于電源應(yīng)用的希望。但是,，要把GaN用在功率FET中曾經(jīng)需要重大的工藝和器件開(kāi)發(fā),，而這些開(kāi)發(fā)已經(jīng)延緩了相關(guān)產(chǎn)品的發(fā)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(yīng)商和系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員不得不小心前行,，逐步解決設(shè)計(jì)難題。傳統(tǒng)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(guān)閉狀態(tài)的增強(qiáng)模式器件,。為了提供針對(duì)Si MOSFET的直接替代器件，GaN FET開(kāi)關(guān)供應(yīng)商或者重新設(shè)計(jì)他們的產(chǎn)品,，使其可在在增強(qiáng)模式運(yùn)行,，或者使用另外的開(kāi)關(guān)與其串聯(lián)，以提供正常的關(guān)閉功能,。

        用GaN FET替代Si MOSFET只是重新設(shè)計(jì)的開(kāi)始,。GaN晶體管的高頻處理能力要求開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)具備更大計(jì)時(shí)精度，而這些開(kāi)關(guān)對(duì)于封裝,、互連和外部源的寄生阻抗高度敏感,。可高速開(kāi)閉GaN開(kāi)關(guān)的集成型硅基GaN驅(qū)動(dòng)器已經(jīng)推動(dòng)著采用GaN的SMPS設(shè)計(jì)向前發(fā)展,。成熟的Si處理可實(shí)現(xiàn)這些非常精確的,、高頻可調(diào)諧驅(qū)動(dòng)器的開(kāi)發(fā)。

        例如,，TI的LM5113柵極驅(qū)動(dòng)器曾經(jīng)被設(shè)計(jì)用來(lái)控制處于中等電壓電平的高端和低端增強(qiáng)模式GaN電源開(kāi)關(guān),。此柵極驅(qū)動(dòng)器集成了優(yōu)化GaN開(kāi)關(guān)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(jiǎn)化設(shè)計(jì),。除了用最小延遲來(lái)實(shí)現(xiàn)高精度驅(qū)動(dòng)計(jì)時(shí)，此器件還提供重要保護(hù)功能,，以實(shí)現(xiàn)GaN開(kāi)關(guān)的高效,、精確運(yùn)行,。例如，自舉鉗位將柵源電壓保持在安全工作范圍內(nèi),；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(dú)的源/灌引腳優(yōu)化了接通和關(guān)閉次數(shù),，從而實(shí)現(xiàn)高效率和低噪聲,；而快速傳播延遲匹配在開(kāi)關(guān)處于轉(zhuǎn)換中時(shí)優(yōu)化了死區(qū)時(shí)間。

針對(duì)啟用GaN的SMPS設(shè)計(jì)的系統(tǒng)級(jí)解決方案

        通過(guò)與快速,、精確電源管理控制組合在一起,，GaN柵極驅(qū)動(dòng)器極大地推動(dòng)了啟用GaN的 SMPS設(shè)計(jì)的發(fā)展。然而,，柵極驅(qū)動(dòng)器本身所能優(yōu)化的程度有限,。在驅(qū)動(dòng)器和GaN開(kāi)關(guān)之間，即使是最短的走線也會(huì)可能因?yàn)樵O(shè)計(jì)的變化產(chǎn)生延遲,。

        未來(lái)的IC解決方案將需要控制因布局布線和無(wú)源組件的設(shè)計(jì)所導(dǎo)致的易變性問(wèn)題,，因?yàn)檫@對(duì)驅(qū)動(dòng)器與開(kāi)關(guān)的耦合很重要。由于這兩類(lèi)器件基于屬性完全不同的材料,，未來(lái)將不太可能把它們集成在單個(gè)芯片（裸片）上,。然而，集成了FET,、驅(qū)動(dòng)器以及為開(kāi)關(guān)提供支持的無(wú)源器件的單封裝模塊（圖3）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(kāi)關(guān)模塊將芯片間的連接線減小到盡可能短的長(zhǎng)度，從而最大限度地縮短了延遲時(shí)間,，并減少了那些使開(kāi)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,。

        提供系統(tǒng)級(jí)解決方案的另外一個(gè)重要因素是控制器-穩(wěn)壓器，這款器件必須在GaN支持的高頻率下運(yùn)行,，必須實(shí)時(shí)地對(duì)輸出電壓的變化做出響應(yīng),。其時(shí)間分辨率也必須符合精確脈寬要求，以最大限度地減小死區(qū)時(shí)間內(nèi)的傳導(dǎo)損耗,。幸運(yùn)的是,，現(xiàn)有的數(shù)字電源控制器可以滿足這些要求，從而提供可被用于系統(tǒng)其它位置的額外性能和I/O功能。TI提供數(shù)字電源控制方面的全面專(zhuān)業(yè)知識(shí),，這些知識(shí)與公司的電源技術(shù)一起,，提供針對(duì)GaN穩(wěn)壓和受控開(kāi)關(guān)的系統(tǒng)級(jí)解決方案。

        另外還需要針對(duì)基于GaN設(shè)計(jì)的磁性元件,，因?yàn)槟壳按判栽匀辉诠璨牧纤鶎?shí)現(xiàn)的頻率下工作,。TI與電源制造商和GaN研究機(jī)構(gòu)通力協(xié)作，不斷地敦促磁性元件供應(yīng)商提供這些組件,，但是這項(xiàng)工作在很大程度上取決于市場(chǎng)的需求。隨著基于GaN的電源組件不斷上市,，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)界就能夠在很多電源應(yīng)用中充分利用GaN所帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)。

針對(duì)未來(lái)需求的GaN創(chuàng)新

        全球人口數(shù)量的不斷增長(zhǎng)和快速發(fā)展,，對(duì)電力的需求持續(xù)增加,，與此同時(shí)，環(huán)境問(wèn)題也需要我們?cè)谔岣吣茉词褂眯史矫孀龀龈笈?。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(chuàng)新中受益，幫助我們更高效地傳送,、轉(zhuǎn)換和使用電力資源,，而這些技術(shù)也將改進(jìn)和提升我們的生活品質(zhì)。

        GaN就是這樣一種創(chuàng)新,，通過(guò)最大限度地降低電力轉(zhuǎn)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(yīng)對(duì)GaN所帶來(lái)的挑戰(zhàn),，TI正在充分利用其在電源產(chǎn)品和技術(shù)方面的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)以及在研發(fā)方面的承諾,，創(chuàng)建解決方案，來(lái)減少高頻電源轉(zhuǎn)換中出現(xiàn)的復(fù)雜問(wèn)題,。這些差別化的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)也最大限度地減少那些影響高效運(yùn)行的信號(hào)延遲和雜散干擾,。

        隨著具有這些應(yīng)用優(yōu)勢(shì)的產(chǎn)品的出現(xiàn),，SMPS開(kāi)發(fā)人員將能夠加快高性能 系統(tǒng)的上市時(shí)間。這些系統(tǒng)的成功應(yīng)用將推動(dòng)GaN進(jìn)入高功率,、工業(yè)級(jí)終端設(shè)備,，以及低功率大眾市場(chǎng)等全新的應(yīng)用領(lǐng)域。系統(tǒng)級(jí)解決方案的模塊和其它關(guān)鍵部件 將幫助我們充分發(fā)揮GaN技術(shù)在提高電源效率方面的作用。

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