В энергетических приложениях устройства на основе нитрида галлия (GaN) имеют значительные преимущества в производительности и эффективности по сравнению с традиционными кремниевыми МОП-транзисторами. Устройства на основе нитрида галлия могут удовлетворить потребности различных отраслей промышленности благодаря более высокой плотности, более высокой скорости переключения и более высокой энергоэффективности. Но в некоторых приложениях они столкнутся с серьезными проблемами проектирования.
От компактных зарядных устройств USB-C и электронных автомобильных зарядных устройств до солнечных батарей и центров обработки данных — дизайнеры стремятся использовать полупроводниковую технологию GaN для создания меньших по размеру, легких и лучших продуктов охлаждения.
Учитывая высокую скорость переключения GaN-устройств, разработчики столкнутся с множеством проблем, включая паразитную индуктивность, более точные требования к управлению затвором, ток утечки затвора и падение напряжения обратной проводимости.
Специальный контроллер GaN является идеальным выбором для разработки определенных приложений на основе GaN. Например, компания Analog Devices, Inc. предлагает ряд контроллеров мощности на основе GaN. Разработчики могут использовать простые специализированные драйверы GaN FET, такие как полумостовой драйвер GaN LT8418 100 В со встроенным интеллектуальным переключателем начальной загрузки (рис. 1).
Рис. 1. Специальный полумостовой GaN-драйвер ADI LT8418. (Источник изображения: Analog Devices, Inc.)
В этом устройстве используется отдельный драйвер затвора для точного управления скоростью нарастания GaN-транзистора в периоды включения и выключения, тем самым подавляя звон и улучшая характеристики электромагнитных помех. В устройстве также используется корпус уровня кристалла пластины (WLCSP) для минимизации паразитной индуктивности.
Кроме того, можно выбрать более сложные контроллеры, такие как высокопроизводительные двойные понижающие DC/DC-стабилизаторы LTC7890 и LTC7891 (рис. 2) для GaN FET.
Рис. 2. Высокопроизводительный контроллер постоянного/постоянного тока ADI LTC7891, подходящий для GaN FET. (Источник изображения: Analog Devices, Inc.)
В отличие от кремниевых МОП-транзисторов, устройствам LTC7890/LTC7891 не требуются защитные диоды или другие внешние компоненты. Напряжение управления затвором этих устройств можно точно регулировать в диапазоне от 4 В до 5,5 В для оптимизации производительности и поддержки использования других GaN-транзисторов или МОП-транзисторов логического уровня.
Когда кремниевый контроллер — единственный вариант
В настоящее время не существует специального контроллера GaN для ключевых компонентов, таких как понижающие повышающие контроллеры с 4 переключателями. При аккуратной эксплуатации инженеры смогут использовать контроллеры, изначально разработанные для МОП-транзисторов, для управления GaN-транзисторами, тем самым повышая мощность и эффективность. Если контроллеры для кремниевых устройств непосредственно используются в приложениях GaN, необходимо соблюдать особую осторожность при выборе компонентов и проектировании печатных плат, а также могут потребоваться другие схемы.
В мощных преобразователях выходное напряжение традиционных драйверов затворов обычно превышает 5 В, обычно между 7 и 10 В, а иногда и выше. При использовании GaN-транзистора с таким напряжением могут возникнуть проблемы, поскольку максимальное номинальное напряжение затвора GaN-транзистора обычно составляет всего 6 В. Даже если этот предел кратковременно превышен из-за скачков напряжения или звона, вызванного паразитной индуктивностью на печатной плате, это может привести к необратимому повреждению устройства GaN.
Чтобы избежать этих проблем, проектировщикам необходимо правильно выбирать контроллер и внимательно следить за компоновкой печатной платы, особенно вокруг обратных путей затвора и истока, чтобы поддерживать как можно более низкую индуктивность и уменьшать ненужные выбросы напряжения.
Во многих драйверах MOSFET используются нерегулируемые драйверы кремниевых затворов, но их напряжение может превышать абсолютное максимальное напряжение GaN FET. При проектировании следует уделить внимание управлению напряжением управления затвором, регулированию питания начальной загрузки и оптимизации времени простоя.
В повышающем понижающем устройстве с 4 переключателями должен использоваться контроллер затвора 5 В, чтобы предотвратить неожиданное перенапряжение в GaN FET. Также важно внедрить защитные компоненты, такие как зажимные цепи или ограничители напряжения затвора, чтобы защитить затвор от случайного перенапряжения.
Используя стабилитрон на 5,1 В параллельно с бутстрепным конденсатором, ADI LT8390A можно использовать в качестве контроллера затвора 5 В (рис. 3). Это позволит зафиксировать напряжение затвора на рекомендуемом уровне, чтобы устройство всегда находилось в безопасном рабочем диапазоне. Для обеспечения большей защиты резистор сопротивлением 10 Ом можно подключить последовательно со схемой начальной загрузки, чтобы уменьшить любое явление звона, которое может быть вызвано очень быстрыми узлами переключения высокой мощности.