實(shí)現(xiàn)更加高效的電力轉(zhuǎn)換是應(yīng)對當(dāng)前增長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，并在無線應(yīng)用中發(fā)揮越來越重要的作用。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?？煽侩娏?yīng)的電子電源中的優(yōu)勢越來越明顯?；贕aN的開關(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晶體管就會和硅材料晶體管具有同樣性價(jià)比。這將增大GaN器件對于大型工業(yè)設(shè)備到最小型手持類設(shè)備等各類系統(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設(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)面影響的方法來創(chuàng)造電源系統(tǒng)。思考這類問題時(shí)通常的思路是在現(xiàn)有組件中尋找解決方案—GaN開關(guān)，Si開關(guān)驅(qū)動(dòng)器，高速開關(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，在提供這些類解決方案具有很大的優(yōu)勢。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)常見的電子設(shè)備由開關(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，以及汽車電子設(shè)備，工業(yè)設(shè)備和其它類型的高功率系統(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)高頻電源開關(guān)—SMPS的核心—將DC信號轉(zhuǎn)換為一個(gè)脈沖電壓波形。開關(guān)的輸出被轉(zhuǎn)換為所需的電壓，并被過濾為低壓系統(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) 信號給電源開關(guān)驅(qū)動(dòng)器，從而提供穩(wěn)壓功能。信號的脈寬隨負(fù)載要求的變化而增加或減少。

圖1.開關(guān)模式電源的一般功能。

一直以來電源開關(guān)都是硅材料MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(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)，對電源開關(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

GaN相較于硅在電源開關(guān)方面擁有的一個(gè)重要優(yōu)勢是其在高電壓下更低的損耗。它的打開和關(guān)閉所需電能也更少。在過去幾年間，Si開關(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對于GaN來說有相當(dāng)大的成本優(yōu)勢，但是隨著時(shí)間的推移，這一成本方面的差異將會縮小。

GaN開關(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)可以使我們在充分利用GaN的同時(shí)，也可以獲得Si處理的數(shù)十年發(fā)展所帶來的優(yōu)勢。其中一個(gè)優(yōu)勢就是較高的帶隙電壓。

圖2.增強(qiáng)型模式GaN FET的橫截面

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、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)勢眾多，這項(xiàng)技術(shù)才剛剛開始在電源設(shè)計(jì)中找到用武之地。之前LED和無線應(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發(fā)，而這些開發(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Si MOSFET的直接替代器件，GaN FET開關(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)的開始。GaN晶體管的高頻處理能力要求開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號具備更大計(jì)時(shí)精度，而這些開關(guān)對于封裝、互連和外部源的寄生阻抗高度敏感?？筛咚匍_閉GaN開關(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)器的開發(fā)。