Σε εφαρμογές ισχύος, οι συσκευές νιτριδίου του γαλλίου (GaN) έχουν σημαντικά πλεονεκτήματα απόδοσης και απόδοσης σε σχέση με τις παραδοσιακές συσκευές MOSFET πυριτίου. Οι συσκευές νιτριδίου του γαλλίου μπορούν να καλύψουν τις ανάγκες διαφόρων βιομηχανιών, με υψηλότερη πυκνότητα, μεγαλύτερη ταχύτητα μεταγωγής και υψηλότερη ενεργειακή απόδοση. Αλλά για ορισμένες εφαρμογές, θα αντιμετωπίσουν σημαντικές σχεδιαστικές προκλήσεις.
Από συμπαγείς φορτιστές USB-C και ηλεκτρονικούς φορτιστές αυτοκινήτου μέχρι εφαρμογές ηλιακών και κέντρων δεδομένων, οι σχεδιαστές επιθυμούν να χρησιμοποιήσουν την τεχνολογία ημιαγωγών GaN για να δημιουργήσουν μικρότερα, ελαφρύτερα και καλύτερα προϊόντα ψύξης.
Δεδομένης της γρήγορης ταχύτητας μεταγωγής των συσκευών GaN, οι σχεδιαστές θα αντιμετωπίσουν πολλαπλές προκλήσεις, όπως παρασιτική επαγωγή, ακριβέστερες απαιτήσεις ελέγχου πύλης, ρεύμα διαρροής πύλης και πτώση τάσης αντίστροφης αγωγιμότητας.
Ένας αποκλειστικός ελεγκτής GaN είναι μια ιδανική επιλογή για το σχεδιασμό ορισμένων εφαρμογών που βασίζονται στο GaN. Για παράδειγμα, η Analog Devices, Inc. προσφέρει μια σειρά ελεγκτών ισχύος GaN. Οι σχεδιαστές μπορούν να χρησιμοποιήσουν απλά αποκλειστικά προγράμματα οδήγησης GaN FET, όπως το πρόγραμμα οδήγησης GaN μισής γέφυρας LT8418 100V με ενσωματωμένο έξυπνο διακόπτη bootstrap (Εικόνα 1).
Εικόνα 1: Το αποκλειστικό πρόγραμμα οδήγησης GaN μισής γέφυρας LT8418 της ADI. (Πηγή εικόνας: Analog Devices, Inc.)
Αυτή η συσκευή χρησιμοποιεί ένα ξεχωριστό πρόγραμμα οδήγησης πύλης για τον ακριβή έλεγχο του ρυθμού περιστροφής του GaN FET κατά τις περιόδους ενεργοποίησης και απενεργοποίησης, καταστέλλοντας έτσι το κουδούνισμα και βελτιώνοντας την απόδοση EMI. Η συσκευή χρησιμοποιεί επίσης συσκευασία επιπέδου τσιπ σε επίπεδο πλακέτας (WLCSP) για την ελαχιστοποίηση της παρασιτικής επαγωγής.
Επιπλέον, μπορούν να επιλεγούν πιο σύνθετοι ελεγκτές, όπως οι ελεγκτές ρυθμιστή μεταγωγής DC/DC διπλής απόδοσης LTC7890 και LTC7891 (Εικόνα 2) για GaN FET.
Εικόνα 2: Ελεγκτής ρυθμιστή μεταγωγής DC/DC υψηλής απόδοσης ADI LTC7891 κατάλληλος για GaN FET. (Πηγή εικόνας: Analog Devices, Inc.)
Σε αντίθεση με τις λύσεις MOSFET πυριτίου, οι συσκευές LTC7890/LTC7891 δεν απαιτούν προστατευτικές διόδους ή άλλα εξωτερικά εξαρτήματα. Η τάση κίνησης της πύλης αυτών των συσκευών μπορεί να ρυθμιστεί με ακρίβεια μεταξύ 4 V και 5,5 V για βελτιστοποίηση της απόδοσης και υποστήριξη της χρήσης άλλων GaN FET ή MOSFET λογικού επιπέδου.
Όταν ο ελεγκτής πυριτίου είναι η μόνη επιλογή
Επί του παρόντος δεν υπάρχει αποκλειστικός ελεγκτής GaN για βασικά στοιχεία, όπως ελεγκτές ενίσχυσης buck 4 διακοπτών. Με προσεκτική λειτουργία, οι μηχανικοί ενδέχεται να μπορούν να χρησιμοποιούν ελεγκτές που είχαν σχεδιαστεί αρχικά για MOSFET για να οδηγούν GaN FET, βελτιώνοντας έτσι την ισχύ και την απόδοση. Εάν οι ελεγκτές για συσκευές πυριτίου χρησιμοποιούνται απευθείας σε εφαρμογές GaN, πρέπει να δίνεται ιδιαίτερη προσοχή κατά την επιλογή εξαρτημάτων και τον σχεδιασμό πλακών κυκλωμάτων, ενώ ενδέχεται να απαιτούνται και άλλα κυκλώματα.
Στους μετατροπείς υψηλής ισχύος, η τάση εξόδου των παραδοσιακών οδηγών πύλης είναι συνήθως υψηλότερη από 5 V, συνήθως μεταξύ 7 V και 10 V, και μερικές φορές ακόμη υψηλότερη. Όταν οδηγείτε το GaN FET με αυτήν την τάση, μπορεί να προκαλέσει προβλήματα επειδή η μέγιστη ονομαστική τάση πύλης του GaN FET είναι συνήθως μόνο 6V. Ακόμη και αν αυτό το όριο ξεπεραστεί για λίγο λόγω αιχμών τάσης ή κουδουνίσματος που προκαλούνται από αδέσποτη επαγωγή στο PCB, μπορεί να προκληθεί μόνιμη βλάβη στη συσκευή GaN.
Για να αποφευχθούν αυτά τα ζητήματα, οι σχεδιαστές πρέπει να επιλέγουν σωστά τον ελεγκτή και να παρακολουθούν στενά τη διάταξη PCB, ειδικά γύρω από την πύλη και τις διαδρομές επιστροφής της πηγής, προκειμένου να διατηρηθεί όσο το δυνατόν χαμηλότερη η επαγωγή και να μειωθεί η περιττή υπέρβαση τάσης.
Πολλά προγράμματα οδήγησης MOSFET χρησιμοποιούν μη ρυθμιζόμενους οδηγούς πύλης πυριτίου, αλλά η τάση τους μπορεί να μετατοπιστεί πάνω από την απόλυτη μέγιστη τάση του GaN FET. Κατά το σχεδιασμό, θα πρέπει να λαμβάνεται υπόψη η διαχείριση της τάσης κίνησης της πύλης, η ρύθμιση της τροφοδοσίας του bootstrap και η βελτιστοποίηση του νεκρού χρόνου.
Η συσκευή ενίσχυσης buck 4 διακοπτών πρέπει να χρησιμοποιεί ελεγκτή πύλης 5V για να αποτρέψει την απροσδόκητη υπέρταση στο GaN FET. Είναι επίσης σημαντικό να εισαγάγετε προστατευτικά εξαρτήματα όπως κυκλώματα σφιγκτήρα ή περιοριστές τάσης πύλης για την προστασία της πύλης από τυχαία υπέρταση.
Χρησιμοποιώντας μια δίοδο Zener 5,1V παράλληλα με έναν πυκνωτή bootstrap, το LT8390A της ADI μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ελεγκτής πύλης 5V (Εικόνα 3). Αυτό θα συσφίξει την τάση της πύλης στο συνιστώμενο επίπεδο οδήγησης, έτσι ώστε η συσκευή να βρίσκεται πάντα εντός του ασφαλούς εύρους λειτουργίας. Για περισσότερη προστασία, μια αντίσταση 10 Ω μπορεί να συνδεθεί σε σειρά με ένα κύκλωμα bootstrap για να μειώσει οποιοδήποτε φαινόμενο κουδουνίσματος που μπορεί να προκληθεί από πολύ γρήγορους κόμβους μεταγωγής υψηλής ισχύος.