干货 | GaN在开关电源设计中的应用

随着工艺的进步和缺陷率的不断降低，GaN在交直流电力转换、改变电压电平、并且以一定数量的函数确保可靠电力供应的电子电源中的优势越来越明显。电源设计人员正在重新思考电路的设计，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方法来创造电源系统。思考这类问题时通常的思路是在现有组件中寻找解决方案—GaN开关，Si开关驱动器，高速开关控制器，以及功率电感器、变压器和电容器等总体设计中的部件。生产电源产品的集成电路(IC) 制造商如果能用共同设计的器件提供系统级解决方案，甚至在模块封装中集成多个芯片，就能够大大提高电源设计可能性。

对于电源设计人员来说，驱动eGaN器件需要考虑的因素：

(1)低阈值电压

GaN FET 的阈值电压一般低于1.5V ，最小值低至0.7V ，相比很多MOSFETs低，但它随温度几乎平缓变化。低阈值电压带来的问题：

1)在实际电路中栅极驱动路径上会存在漏电感以及栅电容，这些寄生因素在开关瞬态会引起振荡， 一些小幅度的电压上升通常可能会被栅极检测到， 导致误开启甚至穿通。

2)最常用到的栅驱动电路是推拉输出结构( 如图表4)，利用P型FET作为高端， N型FET作为低端。当驱动功率MOS 时，通常将一个二极管并联在栅极电阻上来控制开启速度而不影响关断速度。但是，对于GaN来说，此电路不能使用。因为二极管的正向压降可能会大于阈值电压的最小值，阻断GaN FET 的关断。

3)由于杂散电感的存在，它与寄生的电容在栅极会引起较大的噪声电压，导致误开启。

图4.传统MOSFET 栅驱动结构

(2)栅源电压上限要求严格：VGS(MAX)=6V。一方面， VGS必须被设定在5.5V 以下来预留0.5V 的安全余量。另一方面，从Rds(ON) 与VGS曲线看出，在VGS=4.5-5.5V 时， Rds(ON)可以达到最小值，意味着降低传导损耗。综合考虑，将VGS设置在5V。栅源电压设计要求带来的问题：必须对栅源电压进行严格控制， 避免损坏GaN FET功率管栅极，适用于MOSFETs驱动的普通偏置不能被直接使用。

图表5 自举箝位技术

在自举电路中进行箝位设计（如图表5），可以保证VGS低于6V。开启驱动过程中的充电，可能会引起一个欠阻尼震荡，从而引起过冲， 导致损坏。所以可以通过限制充电速度的方法，及串联电阻在充电支路，从而得到克服。

(3)GaN FET 反向导通

GaN FET 的IV 转移特性曲线如图表6所示，从图可以看出GaN FET 可以反向导通。反向导通特性代替了普通MOSFET 体二极管的续流作用，但其较高的反向导通压降引起了新的问题。

图表6 GaN FET 的IV 转移特性曲线

问题1：反向导通压降较大。如图表7所示，当低端FET 导通时， VCC通过自举二极管对自举电容进行充电，充电后的电容为高端FET提供偏置，该技术运用到GaN FET 时，自举电容两端的电压：Vboot=Vcc-VF+Vsd _ Q1。VF为二极管压降，VCC通常为 5V，由于Vsd_Q1会随着负载电流的增加而迅速增加， 使得Vboot的值会很快上升至超出最大电压6V ，高端FET受损。

图表7.自举技术驱动高端FET

问题2：反向导通造成较大损耗， 降低了系统效率。根据图表6所示的GaN FET 的IV 转移特性，反向导通时栅源电压决定了反向导通的开启程度， 栅源电压的负向过冲造成反向导通的阻抗增大，如此造成大负载电流时的功率管热损耗非常可观，所以需要负向过冲尽量小。

(4) EMI 问题

由于GaN可以工作在较高的频率， 所以存在较大的dV/dt ，。这将会引起严重的EMI 问题。可以采用扩频或者栅极分段驱动的方式，进行改善。同样该方法可以解决问题(1)中提及的栅极振荡引起的误动作问题。

针对上述问题，IC供应商提供的解决方案是将上述提到的FET，驱动器以及为开关提供支持的无源器件封装在同一个模块中(图表8所示)，这样将会极大地减少SMPS的大小和组件数量。物理尺寸的减少也将意味着系统制造成本的降低，以及基于GaN设计的高效率。

图表8集成GaN开关栅极驱动器模块

降低设计复杂度与缩小解决方案尺寸同样重要。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，从而最大限度地缩短了延迟时间，并减少了那些使开关脉冲输出失真的寄生阻抗。一款设计良好的模块将大大减少多芯片设计的寄生因子，其中的某些因子会减少一个数量级，甚至更多。

提供系统级解决方案的另外一个重要因素是控制器，这款器件必须在GaN支持的高频率下运行，必须实时地对输出电压的变化做出响应。其时间分辨率也必须符合精确脉宽要求，以最大限度地减小死区时间内的传导损耗。幸运的是，现有的数字电源控制器可以满足这些要求，从而提供可被用于系统其它位置的额外性能和I/O功能。Ti提供数字电源控制方面的全面专业知识，这些知识与公司的电源技术一起，提供针对GaN稳压和受控开关的系统级解决方案。

另外还需要针对基于GaN设计的磁性元件设计，因为目前磁性元件仍然在硅材料所实现的频率下工作。电源制造商和GaN研究机构通力协作，随着基于GaN的电源组件不断上市，并且供应量在不断的增加，磁性元件供应商将会收到客户的大量请求，要求他们引入支持这项技术的组件。一旦条件成熟，业界就能够在很多电源应用中充分利用GaN所带来的优势。