في تطبيقات الطاقة، أجهزة نتريد الغاليوم (GaN) لديها ميزات أداء وكفاءة كبيرة على أجهزة MOSFET السيليكونية التقليدية.أجهزة نتريد الغاليوم يمكن أن تلبي احتياجات مختلف الصناعاتولكن بالنسبة لبعض التطبيقات، سوف تواجه تحديات تصميم كبيرة.
من شاحنات USB-C المدمجة و شاحنات السيارات الإلكترونية إلى تطبيقات الطاقة الشمسية و مراكز البيانات، المصممون حريصون على استخدام تكنولوجيا أشباه الموصلات GaN لإنشاء أصغر، أخف وزنا،ومنتجات تبريد أفضل.
نظراً لسرعة التبديل السريعة لأجهزة GaN، سيواجه المصممون تحديات متعددة، بما في ذلك الحثية الطفيلية، ومتطلبات التحكم بدقة أكبر في البوابة،و انخفاض فولتاج التوصيل العكسي.
جهاز تحكم GaN مخصص هو الخيار المثالي لتصميم تطبيقات معينة تستند إلى GaN. على سبيل المثال ، تقدم شركة Analog Devices ، Inc. مجموعة من أجهزة تحكم طاقة GaN.يمكن للمصممين استخدام سائقي GaN FET المخصصين البسيطين، مثل LT8418 100 فولت نصف الجسر GaN محرك مع مبدل bootstrap الذكية المدمجة (الشكل 1).
الشكل 1: سائق GaN نصف الجسر LT8418 المخصص من ADI. (مصدر الصورة: Analog Devices, Inc.)
يستخدم هذا الجهاز محرك بوابة منفصل للسيطرة بدقة على معدل قتل GaN FET خلال فترات التشغيل والإيقاف ، وبالتالي قمع الرنين وتعزيز أداء EMI.كما يستخدم الجهاز حزمة مستوى رقاقة المستوى (WLCSP) لتقليل الحثية الطفيلية.
بالإضافة إلى ذلك ، يمكن اختيار أجهزة تحكم أكثر تعقيدًا ، مثل LTC7890 و LTC7891 (الشكل 2) أجهزة التحكم عالية الأداء لتنظيم التبديل DC / DC لـ GaN FET.
الشكل 2: جهاز تحكم التبديل ADI LTC7891 DC/DC عالي الأداء مناسب لـ GaN FET.
على عكس حلول MOSFET السيليكونية ، لا تتطلب أجهزة LTC7890 / LTC7891 ثنائيات حماية أو مكونات خارجية أخرى.يمكن ضبط فولتاج تشغيل البوابة من هذه الأجهزة بدقة بين 4 فولت و 5 فولت.5 فولت لتحسين الأداء ودعم استخدام FETs GaN الأخرى أو MOSFETs المستوى المنطقي.
عندما يكون جهاز التحكم بالسيليكون هو الخيار الوحيد
لا يوجد حالياً جهاز تحكم GaN مخصص لمكونات رئيسية مثل أجهزة تحكم 4 مفاتيحقد يكون المهندسون قادرين على استخدام أجهزة تحكم مصممة أصلاً لـ MOSFETs لدفع GaN FETsإذا كانت أجهزة التحكم لأجهزة السيليكون تستخدم مباشرة في تطبيقات GaN ، يجب توخي حذر خاص عند اختيار المكونات وتصميم لوحات الدوائر ،ويمكن أن تكون هناك حاجة أيضاً إلى دوائر أخرى.
في محولات الطاقة العالية ، يكون الجهد الخارجي لمشغلات البوابات التقليدية عادة أعلى من 5 فولت ، عادة ما يكون بين 7 فولت و 10 فولت ، وأحيانا أعلى من ذلك. عند تشغيل GaN FET بهذا الجهد ، فإن الجهد الخارجي يصل إلى 5 فولت ، ويمكن أن يكون أكثر من 10 فولت.يمكن أن يسبب مشاكل لأن أقصى جهد بوابة اسمي لـ GaN FET عادة ما يكون 6V فقطحتى لو تم تجاوز هذا الحد لفترة وجيزة بسبب ارتفاعات التيار الكهربائي أو الصوت الناجم عن الحثية الضالة على PCB ، فقد يؤدي ذلك إلى تلف جهاز GaN بشكل دائم.
لتجنب هذه المشكلات، يحتاج المصممون إلى اختيار جهاز التحكم بشكل صحيح ومراقبة بشكل وثيق تخطيط للوحة PCB، وخاصة حول البوابة ومسارات العودة المصدر،من أجل الحفاظ على انخفاض الحثية قدر الإمكان وتقليل تجاوزات الجهد غير الضرورية.
يستخدم العديد من محركات MOSFET محركات بوابة السيليكون غير المنظمة ، ولكن قد يتحرك الجهد فوق الجهد القصوى المطلق لـ GaN FET. عند التصميم ،يجب النظر في إدارة فولتاج محرك البوابة، تنظيم إمدادات الطاقة، وتحسين الوقت الميت.
يجب أن يستخدم جهاز تعزيز البوك ذو 4 مفاتيح وحدة تحكم بوابة 5 فولت لمنع الإفراط في الجهد غير المتوقع في GaN FET.من المهم أيضا إدخال مكونات وقائية مثل دوائر المشابك أو محدودي الجهد البوابة لحماية البوابة من الإفراط في الجهد العشوائي.
باستخدام ثنائي أوزنر 5.1 فولت بالتوازي مع مكثف bootstrap ، يمكن استخدام LT8390A من ADI كمراقب بوابة 5 فولت (الشكل 3). هذا سيضغط على جهد البوابة عند مستوى القيادة الموصى به ،حتى يكون الجهاز دائما داخل نطاق التشغيل الآمنلتوفير مزيد من الحماية، يمكن توصيل المقاومة 10 Ω في سلسلة مع دائرة bootstrap للحد من أي ظاهرة الرداء التي قد تكون ناتجة عن عقد التبديل عالية السرعة عالية الطاقة.