Güç uygulamalarında galyum nitrür (GaN) cihazları, geleneksel silikon MOSFET cihazlarına göre önemli performans ve verimlilik avantajlarına sahiptir. Galyum nitrür cihazları, daha yüksek yoğunluk, daha hızlı anahtarlama hızı ve daha yüksek enerji verimliliği ile çeşitli endüstrilerin ihtiyaçlarını karşılayabilir. Ancak bazı uygulamalarda önemli tasarım zorluklarıyla karşılaşacaklar.
Tasarımcılar, kompakt USB-C şarj cihazlarından elektronik araç şarj cihazlarından güneş enerjisi ve veri merkezi uygulamalarına kadar daha küçük, daha hafif ve daha iyi soğutma ürünleri oluşturmak için GaN yarı iletken teknolojisini kullanmaya isteklidir.
GaN cihazlarının yüksek anahtarlama hızı göz önüne alındığında tasarımcılar, parazitik endüktans, daha hassas geçit kontrol gereksinimleri, geçit sızıntı akımı ve ters iletim voltaj düşüşü dahil olmak üzere birçok zorlukla karşılaşacaklardır.
Özel bir GaN denetleyicisi, belirli GaN tabanlı uygulamaları tasarlamak için ideal bir seçimdir. Örneğin, Analog Devices, Inc. bir dizi GaN güç kontrol cihazı sunmaktadır. Tasarımcılar, entegre akıllı önyükleme anahtarına sahip LT8418 100V yarım köprü GaN sürücüsü gibi basit özel GaN FET sürücülerini kullanabilir (Şekil 1).
Şekil 1: ADI'nin özel LT8418 yarım köprü GaN sürücüsü. (Resim kaynağı: Analog Devices, Inc.)
Bu cihaz, açık ve kapalı dönemlerde GaN FET'in dönüş hızını hassas bir şekilde kontrol etmek için ayrı bir kapı sürücüsü kullanır, böylece zil sesini bastırır ve EMI performansını artırır. Cihaz ayrıca parazitik endüktansı en aza indirmek için yonga seviyesi paketleme (WLCSP) kullanır.
Ek olarak, GaN FET için LTC7890 ve LTC7891 (Şekil 2) yüksek performanslı çift kovanlı DC/DC anahtarlama regülatör kontrolörleri gibi daha karmaşık kontrolörler seçilebilir.
Şekil 2: GaN FET'e uygun yüksek performanslı ADI LTC7891 DC/DC anahtarlama regülatör kontrolörü. (Resim kaynağı: Analog Devices, Inc.)
Silikon MOSFET çözümlerinin aksine, LTC7890/LTC7891 cihazları koruyucu diyotlara veya diğer harici bileşenlere ihtiyaç duymaz. Bu cihazların geçit sürüş voltajı, performansı optimize etmek ve diğer GaN FET'lerin veya mantık seviyesi MOSFET'lerin kullanımını desteklemek için 4 V ile 5,5 V arasında hassas bir şekilde ayarlanabilir.
Silikon denetleyici tek seçenek olduğunda
Şu anda 4 anahtarlı Buck Boost kontrolörleri gibi önemli bileşenler için özel bir GaN kontrolörü mevcut değil. Dikkatli bir çalışmayla mühendisler, GaN FET'leri sürmek için orijinal olarak MOSFET'ler için tasarlanmış kontrolörleri kullanabilir, böylece güç ve verimliliği artırabilirler. GaN uygulamalarında silikon cihazlara yönelik kontrolörler doğrudan kullanılıyorsa, bileşenleri seçerken ve devre kartlarını tasarlarken ekstra dikkatli olunmalıdır; ayrıca başka devreler de gerekli olabilir.
Yüksek güçlü dönüştürücülerde, geleneksel geçit sürücülerinin çıkış voltajı genellikle 5 V'tan yüksektir, tipik olarak 7 V ile 10 V arasındadır ve bazen daha da yüksektir. GaN FET'i bu voltajla sürerken sorunlara neden olabilir çünkü GaN FET'in maksimum nominal geçit voltajı genellikle yalnızca 6V'dur. PCB üzerindeki kaçak endüktansın neden olduğu voltaj yükselmeleri veya çınlama nedeniyle bu sınır kısa süreliğine aşılsa bile GaN cihazına kalıcı hasar verebilir.
Bu sorunları önlemek için tasarımcıların kontrol cihazını doğru seçmeleri ve mümkün olduğunca düşük endüktansı korumak ve gereksiz voltaj aşımını azaltmak amacıyla PCB düzenini özellikle kapı ve kaynak dönüş yolları etrafında yakından izlemeleri gerekir.
Birçok MOSFET sürücüsü, düzenlenmemiş silikon geçit sürücüleri kullanır, ancak bunların voltajı, GaN FET'in mutlak maksimum voltajının üzerine çıkabilir. Tasarım yaparken geçit sürücü voltajının yönetilmesine, önyükleme güç kaynağının düzenlenmesine ve ölü zamanın optimize edilmesine dikkat edilmelidir.
4 anahtarlı buck boost cihazı, GaN FET'te beklenmeyen aşırı voltajı önlemek için 5V geçit kontrol cihazı kullanmalıdır. Kapıyı kazara aşırı gerilime karşı korumak için kelepçe devreleri veya geçit voltaj sınırlayıcıları gibi koruyucu bileşenlerin eklenmesi de önemlidir.
Bir önyükleme kapasitörüne paralel olarak 5,1V Zener diyot kullanılarak, ADI'nin LT8390A'sı 5V geçit kontrolörü olarak kullanılabilir (Şekil 3). Bu, geçit voltajını önerilen sürüş seviyesinde sabitleyecektir, böylece cihaz her zaman güvenli çalışma aralığında olacaktır. Daha fazla koruma sağlamak için, çok hızlı, yüksek güçlü anahtarlama düğümlerinin neden olabileceği çınlama olgusunu azaltmak amacıyla, bir önyükleme devresine 10 Ω'luk bir direnç seri olarak bağlanabilir.