作者：Michael Seeman，德州仪器

           Dave Freeman，德州仪器

  基于GaN的开关功率晶体管可实现全新电源竽暌功用，与之前应用的硅材料 (Si) 晶体管比拟，在高压下运转时，机能更高，损耗更低。GaN的高频操作特点可以在保持高效力的同时进步机能。GaN器件应用的是一种合适于现有硅制造流程的硅上氮化镓(GaN-on-Si) 工艺。如不雅尺寸更为小巧的GaN器件可以或许实现同样的电流功能，那么最终GaN晶体管就会和硅材料晶体管具有同样性价比。这将增大年夜GaN器件对于大年夜型工业设备到最小型手持类设备等各类体系的吸引力。因为它在这些方面的长处，GaN将起首在更高机能电源设计中占据一席之地。这些设计在工作频率和精确开关特点方面请求严格。然而，GaN在更高效电源转换方面的成长前景必定可以或许知足这方面的请求。

  实现加倍高效的电力转换是应对当前增长的人口和能源需求的一个关键技巧目标。

  可以或许有效推动这一目标杀青的重要立异就是在电源竽暌功用中应用氮化镓 (GaN)。GaN是一种已经成熟的半导体材料，广泛应用于LED照明，并在无线应用中发挥越来越重要的感化。今朝，跟着工艺的进步和缺点率的赓续降低，GaN在交直流电力转换、改变电压电平、并且以必定命量的函数确保可登载力供给的电子电源中的优势越来越明显。

  今朝，电源设计人员正在从新思虑他们设计的电路，试图寻找能充分发挥全新GaN晶体管潜能又能避免负面影响的办法来创造电源体系。思虑这类问题时平日的思路是在现有组件中寻找解决筹划—GaN开关，Si开关驱动器，高速开关控制器，以及功率电感器、变压器和电容器等均是总体设计中的部件。临盆电源产品的集成电路 (IC) 制造商如不雅能用合营设计的器件供给体系级解决筹划，甚至在模块封装中集成多个芯片，就可以或许大年夜大年夜进步了客户的设计可能性。

  德州仪器作为行业领先的电源竽暌功用IC解决筹划供给商，在供给这些类解决筹划具有很大年夜的优势。借助其立异型制造工艺、电路和封装技巧，TI赓续为那些欲望最大年夜限度发挥GaN感化的设计人员供给所需器件。

大年夜多半常见的电子设备由开关模式电源 (SMPS) 供电运行，这些电源将交换电高效地转换为直流电（AC到DC），并且将110-120V或者220-240V的分级线电压降压至12V，5V，3.3V，以及体系组件须要的更低电压。这些功能平日用于花费类电子设备和数据中间，然则SMPS也被用于DC至DC转换，并且用于生成可再生能源逆变器中的更高电压电平，以及汽车电子设备，工业设备和其它类型的高功率体系。

GaN在电源链中的地位

图1显示的是一个通俗SMPS的流程图。一个输入电压，平日为高压低频交换电，被整流为直流电。线路滤波器用于阻断电源中逐渐形成的高频率，阻拦其传送回源线路。一个高频电源开关—SMPS的核心—将DC旌旗灯号转换为一个脉冲电压波形。开关的输出被转换为所需的电压，并被过滤为低压体系所请求的稳定输出电平。控制器用输出反馈供给脉宽调制 (PWM) 旌旗灯号给电源开关驱动器，大年夜而供给稳压功能。旌旗灯号的脉宽随负载请求的变更而增长或削减。

GaN开关器件支撑宽范围的工作电压。它们使电源设计人员可以或许在保持极大年夜范围输入和输出电压的所需频率的同时以较高频率运行，大年夜而减小懂得决筹划的物理尺寸。GaN最合适的应用往往是那些须要尽可能小尺寸的电源解决筹划。

一向以来电源开关都是硅材料MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）所制，然则如今正被GaN FET所代替。

根据体系请求的不合，可应用很多种不合的设计拓扑构造，对电源开关的安排也将有所不合，大年夜单FET升压转换器，包含两个FET的设计，最多到四个FET的全桥转换器。此开关和其转换器形成了一个异常灵敏的设计区域，它们必须在控制器的指令下精确履行相干功能。如不雅不克不及做到这一点的话，电源体系就会变得不稳定。此外，已调制电压的快速上升和降低有可能导致噪音进入反馈回路，大年夜而造成电源体系不稳定。

对于所有电网连接的体系的一个请求就是电网内与体系外的隔离，以便为下流设备供给安然保护。别的一个留意点则是电源转换的高频袈渌行必定不克不及干扰电网的电力传输，也不克不及在供电线路上生成噪声。GaN器件知足了章一离请求，并且经由过程较高频率运行削减了电磁干扰。这个较高频率可以削减隔离变压器和输入滤波器的大年夜小。

GaN在SMPS体系中的应用优势

GaN相较于硅在电源开关方面拥有的一个重要优势是其在高电压下更低的损耗。它的打开和封闭所需电能也更少。在以前几年间，Si开关的机能已大年夜幅进步，但在雷同尺寸和高压下，GaN供给的重大年夜改进是Si不太可能杀青的。今朝，Si MOSFET对于GaN来说有相昔时夜的成本优势，然则跟着时光的推移，这一成本方面的差别将会缩小。

图2显示了GaN晶体管的根本构造。正如之前所谈到的，GaN材料位于一块Si基板上。这种设计可以使我们在充分应用GaN的同时，也可以获得Si处理的数十年成长所带来的优势。个一一个优势就是较高的带隙电压。

经由过程与快速、精确电源治理控制组合在一路，GaN栅极驱动器极大年夜地推动了启用GaN的 SMPS设计的成长。然而，栅极驱动器本身所能优化的程度有限。在驱动器和GaN开关之间，即使是最短的走线也会可能因为设计的变更产生延迟。

半导体差别于其它材料的重要特点是带隙能—将材料大年夜绝缘体变为导体所需的电压跳变。GaN供给的3.2电子伏特 (eV) 的带隙能大年夜约是Si所能供给的带隙能的3倍。理论上，更高的带隙意味着较高温度下的更佳机能，其原因是在物质变为导电前可耐受更多的热量。往后，这一特点有可能晋升汽车、工业和其它高温情况中的GaN机能。

SMPS设计中的GaN进修曲线

尽管GaN优势浩瀚，这项技巧才方才开端在电源设计中找到用武之地。之前LED和无线应用中的GaN让人们看到了将这项技巧用于电源竽暌功用的欲望。然则，要把GaN用在功率FET中曾经须要重大年夜的工艺和器件开辟，而这些开辟已经延缓了相干产品的成长。此外，全新FET与之前应用的Si材料器件间的不合使得IC供给商和体系设计人员不得不当心前行，慢慢解决设计难题。传统GaN器件平日处于接通或耗尽模式，而Si MOSFET是一般情况下处于封闭状况的加强模式器件。为了供给针对Si MOSFET的直接替代器件，GaN FET开关供给商或者从新设计他们的产品，使其可在在加强模式运行，或者应用别的的开关与其串联，以供给正常的封闭功能。

用GaN FET替代Si MOSFET只是从新设计的开端。GaN晶体管的高频处理才能请求开关驱动旌旗灯号具备更大年夜计时精度，而这些开关对于封装、互连和外部源的寄生阻抗高度敏感。可高速开闭GaN开关的集成型硅基GaN驱动器已经推动着采取GaN的SMPS设计向前成长。成熟的Si处理可实现这些异常精确的、高频可蛋琮动器的开辟。

例如，TI的LM5113栅极驱动器曾经被设计用来控制处于中等电压电平的高端和低端加强模式GaN电源开关。此栅极驱动器集成了优化GaN开关机能的所需组件。这一集成不龌削减了电路板空间，还有助于简化设计。除了用最小延迟来实现高精度驱动计时，此器件还供给重要保护功能，以实现GaN开关的高效、精确运行。例如，自举钳位将栅源电压保持在安然工作范围内；高电流下拉晋升了dv/dt抗扰度，并且避免了低端的不测激活；零丁的源/灌引脚优化了接通和封闭次数，大年夜而实现高效力和低噪声；而快速传播延迟匹配在开关处于转换中时优化了逝世区时光。

针对启用GaN的SMPS设计的体系级解决筹划

将来的IC解决筹划将须要控制因构造布线和无源组件的设计所导致的易变性问题，因为这对驱动器与开关的耦合很重要。因为这两类器件基于属性完全不合的材料，将来将不太可能把它们集成在单个芯片（裸片）上。然而，集成了FET、驱动器以及为开关供给支撑的无源器件的单封装模块（图3）将会极大年夜地削减SMPS的大年夜小和组件数量。物理尺寸的削减也将意味着体系制造成本的降低，以及基于GaN设计的高效力。

降低设计复杂度与缩小解决筹划尺寸同样重要。一个驱动器开关模块将芯片间的连接线减小到尽可能短的长度，大年夜而最大年夜限度地缩短了延迟时光，并削减了那些使开关脉冲输出掉真的寄生阻抗。一款设计优胜的模块将大年夜大年夜削减多芯片设计的寄生因子，个中的某些因子会削减一个数量级，甚至更多。

别的还须要针对基于GaN设计的磁性元件，因为今朝磁性元件仍然在硅材料所实现的频率下工作。TI与电源制造商和GaN研究机构通力协作，赓续地催促磁性元件供给商供给这些组件，然则这项工作在很大年夜程度上取决于市场的需求。跟着基于GaN的电源组件赓续上市，并且供给量在赓续的增长，磁性元件供给商将会收到客户的大年夜量请求，请求他们惹人支撑这项技巧的组件。一旦前提成熟，业界就可以或许在很多电源竽暌功用中充分应用GaN所带来的优势。

针对将来需求的GaN立异

全球人口数量的赓续增长和快速成长，对电力的需求持续增长，与此同时，情况问题也须要我们在进步能源应用效力方面做出更大年夜尽力。跟着我们赓续地测验测验知足这些需求，我们的家园将大年夜这些立异中受益，赞助我们更高效地传送、转换和应用电力资本，而这些技巧也将改进和晋升我们的生活品德。

GaN就是如许一种立异，经由过程最大年夜限度地降低电力转换方面的功率损耗，它必将进步我们的能源应用效力。为了应对GaN所带来的挑衅，TI正在充分应用其在电源产品和技巧方面的领先优势以及在研发方面典范诺，创建解决筹划，来削减高频电源转换中出现的复杂问题。这些差别化的解决筹划将有助于简化设计、节俭空间并削减组件数量，同时也最大年夜限度地削减那些影响高效运行的旌旗灯号延迟和杂散干扰。

跟着具有这些应用优势的产品的出现，SMPS开辟人员将可以或许加快高机能体系的上市时光。这些体系的成功应用将推动GaN进入高功率、工业级终端设备，以及低功率大年夜众市场等全新的应用范畴。体系级解决筹划的模块和其它关键部件将赞助我们充分发挥GaN技巧在进步电源效力方面的感化。

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供给体系级解决筹划的别的一个重要身分是控制器-稳压器，这款器件必须在GaN支撑的高频率下运行，必须及时地对输出电压的变更做出响应。当时光分辨率也必须相符精确脉宽请求，以最大年夜限度地减小逝世区时光内的传导损耗。荣幸的是，现有的数字电源控制器可以知足这些请求，大年夜而供给可被用于体系其它地位的额外机能和I/O功能。TI供给数字电源控制方面的周全专业常识，这些常识与公司的电源技巧一路，供给针对GaN稳压和受控开关的体系级解决筹划。

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