GaN：一場真正的革命

在設(shè)計(jì)基于氮化鎵的轉(zhuǎn)換器七年后，我們可以肯定地說，從硅 MOSFET 到 GaN 晶體管的轉(zhuǎn)換是一個(gè)革命性事件，其規(guī)?？膳c 70 年代后期的功率 MOSFET 革命相媲美，當(dāng)時(shí) Alex Lidow 發(fā)明了 HexFET并與國際整流器一起推向市場。

我們的 GaN 體驗(yàn)始于 2014 年夏天，當(dāng)時(shí)我們參加了 Google 的 Little Box Challenge。我們知道 GaN，但擔(dān)心 GaN 是否足夠成熟和可用。經(jīng)過一段時(shí)間的猶豫，GaN Systems 于 2014 年 12 月給我們打電話，告訴我們沒有風(fēng)險(xiǎn)，Mouser 的器件穩(wěn)定且有庫存，我們可以指望他們的支持。這讓我們信服：我們完成了設(shè)計(jì)，并被谷歌從 15 名決賽選手中選中。雖然我們沒有獲獎(jiǎng)，但很高興能夠與 Schneider、Fraunhofer Institut、ETH 和 Virginia Tech 等享有盛譽(yù)的團(tuán)隊(duì)互動(dòng)。我們向人們講述了 Little Box 的經(jīng)歷，我們成為了一家 GaN 設(shè)計(jì)公司。

最初，處理這些新的 GaN 器件有點(diǎn)像試圖馴服野生動(dòng)物。測量導(dǎo)通電阻的簡單測試設(shè)置就像無線電發(fā)射器一樣。必須多次重做原理圖和 PCB 布局以消除雜散電感并獲得穩(wěn)定、可靠、快速的柵極驅(qū)動(dòng)。在我們可以說我們對GaN感到滿意之前，我們搞砸了許多設(shè)備。今天，我們毫不懷疑，遷移到 GaN 曾經(jīng)并且現(xiàn)在是將電力電子性能提升到新水平的方式。

誤區(qū)：GaN 易于使用

GaN 營銷材料通常是關(guān)于使用GaN 進(jìn)行設(shè)計(jì)的難易程度。GaN 晶體管的某些方面確實(shí)比 MOSFET 更容易設(shè)計(jì)，例如更低的柵極電荷、沒有反向恢復(fù)損耗、更線性的輸出電容，以及非常快速的關(guān)斷和低相關(guān)的開關(guān)損耗，使其非常適合軟- 開關(guān)轉(zhuǎn)換器。

GaN 營銷有時(shí)會(huì)談?wù)撊绾瓮ㄟ^用 GaN 晶體管替換 MOSFET 來改進(jìn)現(xiàn)有設(shè)計(jì)——不要相信。這不是使革命發(fā)生的方式。這不是對 GaN 的智能使用。這既不容易，也不會(huì)帶來顯著的改進(jìn)。更換驅(qū)動(dòng)器以避免破壞非常敏感的柵極，重做布局以避免振蕩，重新設(shè)計(jì)散熱，調(diào)整死區(qū)時(shí)間，處理奇怪的封裝——所有這些都不容易，而且可能不值得稍微增加導(dǎo)通電阻，特別是如果設(shè)計(jì)是一個(gè)硬開關(guān)轉(zhuǎn)換器。

應(yīng)用說明可以讓生活更輕松，但請注意建議的一些解決方案存在缺陷或錯(cuò)誤。一個(gè)常見的神話是柵極驅(qū)動(dòng)很容易，并且周圍有很多好的 GaN 驅(qū)動(dòng)器解決方案。但是一些推薦的驅(qū)動(dòng)器在高頻下會(huì)過熱，并且存在其他缺陷，使它們不可靠或無法使用。不僅如此，一些解決方案還不必要地復(fù)雜。例如，通常建議負(fù)向驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O以可靠地關(guān)閉 GaN 器件，但這既沒有必要也不可取。事實(shí)上，如果您注意避免柵極驅(qū)動(dòng)上升沿和下降沿的過沖，您將獲得可靠、快速的操作，而無需負(fù)驅(qū)動(dòng)和更簡單的電路。

SPICE 仿真非常有用，但為 GaN 晶體管提供的模型過于復(fù)雜且速度慢。對于每個(gè) GaN 器件，我們發(fā)現(xiàn)最好使用具有所需導(dǎo)通電阻的簡單受控開關(guān)，與等于器件 C oss的電容并聯(lián)，以及具有相同導(dǎo)通電阻的反并聯(lián)理想二極管。

現(xiàn)實(shí)：GaN 需要頂尖的工程技能

要體驗(yàn) GaN 革命，必須以一種能夠充分發(fā)揮其優(yōu)勢的方式使用 GaN 晶體管。這需要高水平的工程技能，包括：

提高工作頻率，以縮小磁性元件的尺寸

確保在所有條件下的軟切換

使用創(chuàng)新拓?fù)?/p>

使用具有亞納秒分辨率定時(shí)器的快速 CPU 控制電路

設(shè)計(jì)特殊磁體，通常使用平面繞組和特殊磁芯形狀和鐵氧體

執(zhí)行廣泛的磁學(xué)模擬

使用射頻技術(shù)和低電感路徑布置 PCB

設(shè)計(jì)無過沖的合適柵極驅(qū)動(dòng)器

照顧熱氣

當(dāng)心：圍繞 GaN 的生態(tài)系統(tǒng)幾乎沒有發(fā)展

由于圍繞 GaN 器件所需的器件很少發(fā)展到支持 GaN，因此基于 GaN 的工程設(shè)計(jì)變得更加困難：

磁體形狀尚未演變?yōu)槠矫嬖O(shè)計(jì)，以允許平面繞組具有更多銅。

PCB 制造商很少對平面設(shè)計(jì)所需的特殊層積層提供幫助。

基于 GaN 的轉(zhuǎn)換器沒有專用的軟開關(guān)控制器。

MLCC 電容還沒有發(fā)展到支持兆赫茲操作（甚至電容器也有集膚效應(yīng)）。

可用的柵極驅(qū)動(dòng)器很少，也沒有可用的低成本電平轉(zhuǎn)換柵極驅(qū)動(dòng)器。

這意味著必須以一種聰明的方式使用可用的組件，解決它們的弱點(diǎn)。

控制器：DSP 處理器是一種惰性解決方案，它允許您在浮點(diǎn)中工作，允許您幾乎復(fù)制控制方程并讓處理器處理數(shù)字，但這非常低效且速度太慢。使用具有快速乘法和移位功能的快速定點(diǎn)處理器以及高分辨率計(jì)時(shí)器要好得多。但請記住，像 STM32 系列這樣的設(shè)備是復(fù)雜的野獸，其中僅高分辨率計(jì)時(shí)器就需要閱讀一周的時(shí)間才能理解它，還要花一周的時(shí)間來弄清楚如何設(shè)置它的寄存器。使用具有相關(guān)快速電流變化的低電感值會(huì)縮短控制環(huán)路周期時(shí)間，通常在 100 kHz 范圍內(nèi)。直接訪問外設(shè)寄存器是強(qiáng)制性的（忘記 HAL、CUBE 等）。避免循環(huán)饑餓的除法運(yùn)算，并考慮使用快速乘法和移位運(yùn)算可能會(huì)獲得相同的結(jié)果。定點(diǎn)是你的朋友：有限的字長和不得不考慮溢出的風(fēng)險(xiǎn)會(huì)讓你思考更多，編程更好。

磁學(xué)：培養(yǎng)平面磁學(xué)設(shè)計(jì)技能。我們通常在 3F46 鐵氧體中使用 RM 磁芯，并在反向堆積中使用四層 PCB 堆疊，僅在磁芯層上使用埋入式和盲孔機(jī)械鉆孔。使所有繞組全寬（每層一圈）。如果您需要使用并聯(lián)繞組，請將每個(gè)繞組均勻分布在所有層上，并定期更換層，例如 PCB 版本的李茲線，否則您將獲得具有巨大銅損的再循環(huán)電流。

電容器：使用高品質(zhì)的 MLCC 電容器，例如 TDK 的電容器。它們往往具有最完整的阻抗規(guī)格以及在高電流和頻率下的最佳行為。如果在大電流、高頻路徑上使用，請使用最薄的電容器并將返回路徑走線放置在非?？拷浇膶由?。防止高頻通過大容量電解電容器。

自舉二極管：高側(cè) GaN 驅(qū)動(dòng)器需要一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)器的高壓自舉二極管。如果您使用 1 MHz 的“超快恢復(fù)”硅二極管，它會(huì)過熱。您必須使用碳化硅肖特基二極管，但如果您想要像 SMB 這樣的緊湊型封裝，選擇非常有限——只有一個(gè)！

柵極驅(qū)動(dòng)器：這是迄今為止生態(tài)系統(tǒng)中最薄弱的部分，特別是對于高壓 GaN。不要使用柵極驅(qū)動(dòng)器來處理死區(qū)時(shí)間或交叉?zhèn)鲗?dǎo)保護(hù)——時(shí)間太快了，這些事情最好由 CPU 中的高分辨率定時(shí)器來處理。此外，考慮到上升前沿和下降前沿的死區(qū)時(shí)間通常不同，因此需要不斷變化——沒有驅(qū)動(dòng)程序具有這種能力。最佳選擇是隔離式單通道驅(qū)動(dòng)器，但請確保選擇最簡單的器件，具有適當(dāng)?shù)牡颓穳烘i定 (<5 V)、低抖動(dòng)、無死區(qū)時(shí)間控制和去毛刺。

低成本柵極驅(qū)動(dòng)器：存在高壓電平轉(zhuǎn)換非隔離驅(qū)動(dòng)器，但存在問題。例如，經(jīng)常推薦的一種流行的“高速”器件在高頻時(shí)的電平轉(zhuǎn)換器中具有非常高的未記錄功率損耗，在啟動(dòng)時(shí)從自舉電容器汲取的高電流未記錄，傳播延遲中未記錄的不可預(yù)測的變化，以及偶爾失去高驅(qū)動(dòng)。

由于生態(tài)系統(tǒng)中的所有這些缺陷，一些制造商試圖通過提供內(nèi)置驅(qū)動(dòng)器和類似的附加電路來使自己與眾不同，這可能會(huì)使 GaN 設(shè)計(jì)“更容易”。但是，這些添加的電路通常針對特定電路（例如 ACF）進(jìn)行優(yōu)化，并且可能在新拓?fù)渲幸圆幌Ｍ姆绞綀?zhí)行。此類帶有內(nèi)置驅(qū)動(dòng)器的“簡單設(shè)計(jì)”器件的數(shù)據(jù)表往往會(huì)忽略柵極電荷或柵極電容等重要信息，就好像驅(qū)動(dòng)器神奇地消除了這些影響，或者不必?fù)?dān)心它們。

所有寬帶隙設(shè)備都是高性能的嗎？

碳化硅呢？我們在一些項(xiàng)目中考慮過 SiC，但我們不喜歡大而笨重的電感封裝；更高的柵極電荷；并且存在具有反向恢復(fù)損耗的體二極管。SiC 的唯一優(yōu)勢是更好的散熱性能和更高的擊穿電壓，因此使其成為慢時(shí)鐘牽引或可再生逆變器的首選。然而，即使對于這些應(yīng)用，我們也可能會(huì)考慮使用多級 GaN 解決方案來充分利用真正的寬帶隙器件。

結(jié)論

學(xué)習(xí)圍繞 GaN 設(shè)計(jì)電路在功率密度和效率方面非常有益。GaN 器件一開始可能有點(diǎn)嚇人，但最困難的不是 GaN 器件本身，而是它們周圍的組件（磁性器件、無源器件、控制器和驅(qū)動(dòng)器），它們幾乎沒有發(fā)展到促進(jìn) GaN 的采用。盡管如此，對 GaN 的堅(jiān)持和經(jīng)驗(yàn)將帶來信心，并實(shí)現(xiàn) MOSFET 無法想象的性能水平。

審核編輯 黃昊宇