隨著基於矽(Si)的技術逐漸接近其發展極限,設計工程師現正尋求基於氮化鎵(GaN)等寬能隙(WBG)技術的解決方案。

對於新技術而言,GaN本質上比它將取代的矽成本更低。GaN元件與矽元件可以在同一製造廠中以相同製程生產。因此,由於GaN元件比起與其等效的矽元件更小,因此每片晶圓可以生產更多元件,從而降低每個晶片的成本。

GaN有許多性能優勢,包括遠高於矽的電子遷移率(3.4eV vs. 1.1eV),這使其具有效率比矽高1,000倍的電子傳導潛力。值得注意的是,GaN的閘極電荷(QG)較低,而且由於必須在每個開關週期內對其進行補償,因此GaN能夠以高達1MHz的頻率工作,而不至於降低效率;矽則難以達到100kHz以上。此外,與矽不同的是,GaN沒有體二極體,其於AlGaN / GaN邊界表面的2DEG可以沿著相反方向傳導電流(稱為「第三象限」操作)。因此,GaN沒有反向恢復電荷(QRR),使其非常適合硬開關應用。

Onsemi, GaN

GaN經最佳化可實現快速開關
(來源:ON Semiconductor)

GaN確實具有有限的雪崩能力,並且比矽更容易受到過電壓的影響,因此極其適用於漏-源電壓(VDS)鉗位元至軌電壓的半橋拓撲。缺少體二極體使GaN成為硬開關圖騰柱功率因數校正(PFC)的理想選擇,而且GaN也非常適用於零電壓開關(ZVS)應用,包括諧振LLC和主動箝位返馳元件等。

得益於GaN主動箝位返馳實現了45W至65W功率級的快速充電配接器,而基於LLC的GaN可用於150W至300W的高階筆記型電腦(例如電競筆電)電源配接器。在這些應用中,使用GaN技術可以使功率密度增加1倍,從而使得配接器更小也更輕。特別是相關的磁性元件能夠減小尺寸。例如,電源變壓器核心尺寸可從RM10減小為RM8的薄型或平面設計。因此,在許多應用中,功率密度增加了1倍甚至2倍,達到30W/in3

在更高功率的應用中,例如為伺服器、雲端和電信系統供電的電源,尤其是基於圖騰柱PFC的電源,採用GaN可使能效超過99%,使這些系統能夠滿足最重要的(和嚴格的)能效標準,如80+ titanium。

驅動GaN元件的方法對於保護相對靈敏的閘極氧化物至關重要。在元件導通期間提供精確調節的閘極驅動振幅尤為重要。實現此目標的方法之一是添加低壓降穩壓器(LDO)到現有的矽MOSFET閘極驅動器。但這會損害閘極驅動的性能,因此,最好使用驅動GaN的專用半橋驅動器。

更具體地說,矽MOSFET驅動器的典型傳輸延遲時間約為100ns,這並不適合驅動速度在500kHz到1MHz之間的GaN元件。對於此類速度,理想情況下,傳輸延遲應不超過50ns。

由於電容較低,因此在GaN元件的漏極和源極之間有較高的電壓轉換率。這可能導致元件過早失效甚至發生災難性故障,尤其是在大功率應用中。為了避免這種情況,必須有高的dv/dt抗干擾度(在100V/ns的範圍內)。

印刷電路板(PCB)會對於GaN設計的性能產生實質影響,因此經常使用RF型佈局中常用的技術,有時也還建議為閘極驅動器使用低電感封裝(如PQFN)。

最先採用GaN技術並持續成長的應用預計將會是低功率快速充電的USB PD電源配接器,以及電競筆電用高功率配器接等。這主要歸功於現有的控制器和驅動器都可支援這些需要高開關頻率的應用,從而縮短了設計週期。隨著更多驅動器、控制器和模組方案可用於伺服器、雲端和電信等更高功率應用,預計GaN快速獲得採用,成為支援高頻、高能效電源設計的新寵兒。