در کاربردهای برق، دستگاه های نیترید گالیوم (GaN) دارای مزایای قابل توجهی در عملکرد و بهره وری نسبت به دستگاه های سنتی سیلیکون MOSFET هستند.دستگاه های گالیوم نیترید می توانند نیازهای صنایع مختلف را برآورده کننداما برای برخی از برنامه های کاربردی، آنها با چالش های طراحی قابل توجهی روبرو خواهند شد.
از شارژر های کمپیکت USB-C و شارژر های اتومبیل الکترونیکی تا کاربردهای خورشیدی و مرکز داده، طراحان مشتاق استفاده از فناوری نیمه هادی GaN برای ایجاد کوچکتر، سبک تر،و محصولات خنک کننده بهتر.
با توجه به سرعت سریع سوئیچ دستگاه های GaN، طراحان با چالش های متعددی مواجه خواهند شد، از جمله حثیت انگل، الزامات دقیق تر کنترل دروازه، جریان نشت دروازه،و کاهش ولتاژ هدایت معکوس.
یک کنترل کننده GaN اختصاصی یک انتخاب ایده آل برای طراحی برخی از برنامه های کاربردی مبتنی بر GaN است. به عنوان مثال، دستگاه های آنالوگ، Inc. طیف وسیعی از کنترل کننده های قدرت GaN را ارائه می دهد.طراحان می توانند از درایورهای GaN FET اختصاصی ساده استفاده کنند، مانند راننده GaN نیمه پل LT8418 100V با یک سوئیچ هوشمند بوتستراپ یکپارچه (شکل 1).
شکل 1: راننده نیمه پل GaN LT8418 اختصاصی ADI. (منبع تصویر: Analog Devices, Inc.)
این دستگاه از یک درایور دروازه جداگانه برای کنترل دقیق نرخ مرگ GaN FET در طول دوره های روشن و خاموش استفاده می کند، بنابراین زنگ زدن را سرکوب می کند و عملکرد EMI را افزایش می دهد.این دستگاه همچنین از بسته بندی سطح تراشه سطح وافره (WLCSP) برای به حداقل رساندن induktansi انگل استفاده می کند.
علاوه بر این، کنترل کننده های پیچیده تر مانند LTC7890 و LTC7891 (شکل 2) کنترل کننده های تنظیم کننده سوئیچینگ DC / DC با عملکرد بالا برای GaN FET انتخاب می شوند.
شکل 2: کنترل کننده تنظیم کننده سوئیچینگ DC / DC ADI LTC7891 با عملکرد بالا مناسب برای GaN FET. (منبع تصویر: Analog Devices, Inc.)
برخلاف راه حل های MOSFET سیلیکون، دستگاه های LTC7890/LTC7891 نیازی به دیود های محافظ یا سایر اجزای خارجی ندارند.ولتاژ محرک دروازه این دستگاه ها می تواند با دقت بین 4 و 5 ولت تنظیم شود..5 V برای بهینه سازی عملکرد و پشتیبانی از استفاده از سایر GaN FET ها یا MOSFET های سطح منطقی.
وقتی که کنترل کننده سیلیکون تنها گزینه است
در حال حاضر هیچ کنترل کننده GaN اختصاصی برای اجزای کلیدی مانند کنترل کننده های تقویت 4 سوئیچ وجود ندارد.مهندسان ممکن است قادر به استفاده از کنترل کننده های در اصل طراحی شده برای MOSFETs برای رانندگی GaN FETsاگر کنترل کننده های دستگاه های سیلیکونی به طور مستقیم در برنامه های کاربردی GaN استفاده شوند، هنگام انتخاب اجزای و طراحی صفحه های مداری باید احتیاط بیشتری داشته باشد.و مدارهای دیگر نیز ممکن است مورد نیاز باشد.
در کنورترهای قدرت بالا، ولتاژ خروجی درایورهای دروازه سنتی معمولا بالاتر از 5 ولت، معمولا بین 7 و 10 ولت و گاهی حتی بالاتر است.می تواند مشکلاتی ایجاد کند چون حداکثر ولتاژ گیت نامی GaN FET معمولاً فقط 6V است.حتی اگر این حد به دلیل افزایش ولتاژ یا زنگ زدن ناشی از محرک گمشده در PCB به طور مختصر فراتر رود ، ممکن است به طور دائم به دستگاه GaN آسیب برساند.
برای جلوگیری از این مشکلات، طراحان باید کنترل کننده را به درستی انتخاب کنند و از نزدیک طرح PCB را، به ویژه در اطراف دروازه و مسیر بازگشت منبع، نظارت کنند.به منظور حفظ اندام پذیری پایین تا حد ممکن و کاهش ولتاژ بیش از حد غیر ضروری.
بسیاری از درایورهای MOSFET از درایورهای درب سیلیکون غیر تنظیم شده استفاده می کنند، اما ولتاژ آنها ممکن است بالاتر از ولتاژ مطلق حداکثر GaN FET باشد.باید به مدیریت ولتاژ دروازه توجه شود.، تنظیم منبع برق بوت استرپ و بهینه سازی زمان مرده
دستگاه تقویت 4 سوئیچ باید از یک کنترلگر دروازه 5 ولت برای جلوگیری از ولتاژ بیش از حد غیر منتظره در GaN FET استفاده کند.همچنین مهم است که اجزای محافظتی مانند مدارهای کلیمپ یا محدود کننده ولتاژ دروازه را برای محافظت از دروازه از ولتاژ بیش از حد تصادفی وارد کنید.
با استفاده از یک دیود زنر 5.1 ولت در موازی با یک خازن بوت استرپ، LT8390A ADI می تواند به عنوان یک کنترلگر دروازه 5 ولت (شکل 3) استفاده شود. این ولتاژ دروازه را در سطح رانندگی توصیه شده،بنابراین دستگاه همیشه در محدوده عملیاتی امن استبرای محافظت بیشتر، یک مقاومت 10 Ω می تواند به صورت سری با یک مدار بوت استراپ متصل شود تا هر گونه پدیده زنگ زدن که ممکن است توسط گره های سوئیچینگ بسیار سریع و با قدرت بالا ایجاد شود را کاهش دهد.