ในการใช้งานด้านพลังงาน อุปกรณ์แกลเลียมไนไตรด์ (GaN) มีประสิทธิภาพและข้อได้เปรียบด้านประสิทธิภาพที่เหนือกว่าอุปกรณ์ MOSFET แบบซิลิคอนแบบดั้งเดิม อุปกรณ์แกลเลียมไนไตรด์สามารถตอบสนองความต้องการของอุตสาหกรรมต่างๆ ด้วยความหนาแน่นที่สูงขึ้น ความเร็วในการเปลี่ยนที่เร็วขึ้น และประสิทธิภาพการใช้พลังงานที่สูงขึ้น แต่สำหรับบางแอปพลิเคชัน พวกเขาต้องเผชิญกับความท้าทายด้านการออกแบบที่สำคัญ
ตั้งแต่เครื่องชาร์จ USB-C ขนาดกะทัดรัดและเครื่องชาร์จรถยนต์อิเล็กทรอนิกส์ไปจนถึงแอปพลิเคชันพลังงานแสงอาทิตย์และศูนย์ข้อมูล นักออกแบบต่างกระตือรือร้นที่จะใช้เทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์ GaN เพื่อสร้างผลิตภัณฑ์ระบายความร้อนที่เล็กกว่า เบากว่า และดีกว่า
เมื่อพิจารณาถึงความเร็วในการสลับที่รวดเร็วของอุปกรณ์ GaN นักออกแบบจะเผชิญกับความท้าทายหลายประการ รวมถึงการเหนี่ยวนำปรสิต ข้อกำหนดในการควบคุมประตูที่แม่นยำยิ่งขึ้น กระแสไฟรั่วของเกต และแรงดันการนำไฟฟ้าย้อนกลับลดลง
ตัวควบคุม GaN เฉพาะเป็นตัวเลือกที่เหมาะสำหรับการออกแบบแอปพลิเคชันที่ใช้ GaN บางประเภท ตัวอย่างเช่น Analog Devices, Inc. มีตัวควบคุมกำลัง GaN หลากหลายประเภท นักออกแบบสามารถใช้ไดรเวอร์ GaN FET แบบเรียบง่ายโดยเฉพาะ เช่น ไดรเวอร์ GaN แบบฮาล์ฟบริดจ์ LT8418 100V พร้อมสวิตช์บูทสแตรปอัจฉริยะในตัว (รูปที่ 1)
รูปที่ 1: ไดรเวอร์ GaN แบบฮาล์ฟบริดจ์ LT8418 เฉพาะของ ADI (แหล่งรูปภาพ: Analog Devices, Inc.)
อุปกรณ์นี้ใช้ไดรเวอร์เกตแยกต่างหากเพื่อควบคุมอัตราการสลูว์ของ GaN FET ในระหว่างช่วงเปิดและปิดอย่างแม่นยำ ดังนั้นจึงระงับเสียงเรียกเข้าและเพิ่มประสิทธิภาพ EMI อุปกรณ์ยังใช้บรรจุภัณฑ์ระดับชิประดับเวเฟอร์ (WLCSP) เพื่อลดการเหนี่ยวนำปรสิต
นอกจากนี้ สามารถเลือกตัวควบคุมที่ซับซ้อนมากขึ้นได้ เช่น LTC7890 และ LTC7891 (รูปที่ 2) ตัวควบคุมสวิตช์ DC/DC แบบบั๊กคู่ประสิทธิภาพสูงสำหรับ GaN FET
รูปที่ 2: ตัวควบคุมสวิตช์ DC/DC ADI LTC7891 ประสิทธิภาพสูงเหมาะสำหรับ GaN FET (แหล่งรูปภาพ: Analog Devices, Inc.)
ต่างจากโซลูชัน MOSFET ซิลิคอน อุปกรณ์ LTC7890/LTC7891 ไม่ต้องการไดโอดป้องกันหรือส่วนประกอบภายนอกอื่นๆ แรงดันไฟฟ้าขับเกตของอุปกรณ์เหล่านี้สามารถปรับได้อย่างแม่นยำระหว่าง 4 V ถึง 5.5 V เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานและรองรับการใช้ GaN FET อื่นๆ หรือ MOSFET ระดับลอจิก
เมื่อตัวควบคุมซิลิคอนเป็นเพียงตัวเลือกเดียว
ขณะนี้ไม่มีตัวควบคุม GaN เฉพาะสำหรับส่วนประกอบหลัก เช่น ตัวควบคุมบั๊กบูสต์แบบ 4 สวิตช์ ด้วยการทำงานอย่างระมัดระวัง วิศวกรอาจสามารถใช้ตัวควบคุมที่เดิมออกแบบมาสำหรับ MOSFET เพื่อขับเคลื่อน GaN FET ได้ ซึ่งจะช่วยปรับปรุงกำลังและประสิทธิภาพ หากใช้ตัวควบคุมสำหรับอุปกรณ์ซิลิกอนโดยตรงในแอปพลิเคชัน GaN ต้องใช้ความระมัดระวังเป็นพิเศษเมื่อเลือกส่วนประกอบและออกแบบแผงวงจร และอาจต้องใช้วงจรอื่นๆ ด้วย
ในตัวแปลงกำลังสูง แรงดันเอาต์พุตของตัวขับเกตแบบเดิมมักจะสูงกว่า 5 V โดยทั่วไปจะอยู่ระหว่าง 7 V ถึง 10 V และบางครั้งก็สูงกว่าด้วยซ้ำ เมื่อขับ GaN FET ด้วยแรงดันไฟฟ้านี้อาจทำให้เกิดปัญหาได้เนื่องจากแรงดันเกตสูงสุดของ GaN FET มักจะอยู่ที่ 6V เท่านั้น แม้ว่าขีดจำกัดนี้จะเกินขีดจำกัดสั้นๆ เนื่องจากแรงดันไฟกระชากหรือเสียงเรียกเข้าที่เกิดจากการเหนี่ยวนำหลงทางบน PCB ก็อาจทำให้อุปกรณ์ GaN เสียหายอย่างถาวร
เพื่อหลีกเลี่ยงปัญหาเหล่านี้ นักออกแบบจำเป็นต้องเลือกคอนโทรลเลอร์อย่างถูกต้องและติดตามโครงร่าง PCB อย่างใกล้ชิด โดยเฉพาะบริเวณเกตและเส้นทางส่งกลับของแหล่งกำเนิด เพื่อรักษาค่าความเหนี่ยวนำต่ำให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ และลดแรงดันไฟฟ้าเกินที่ไม่จำเป็น
ไดรเวอร์ MOSFET จำนวนมากใช้ไดรเวอร์ซิลิคอนเกทที่ไม่ได้รับการควบคุม แต่แรงดันไฟฟ้าอาจลอยอยู่เหนือแรงดันไฟฟ้าสูงสุดสัมบูรณ์ของ GaN FET เมื่อออกแบบ ควรคำนึงถึงการจัดการแรงดันไฟฟ้าของเกทไดรฟ์ การควบคุมแหล่งจ่ายไฟบูทสแตรป และการปรับเวลาหยุดทำงานให้เหมาะสม
อุปกรณ์เพิ่มบั๊กแบบ 4 สวิตช์ต้องใช้ตัวควบคุมเกต 5V เพื่อป้องกันแรงดันไฟฟ้าเกินที่ไม่คาดคิดใน GaN FET สิ่งสำคัญคือต้องแนะนำส่วนประกอบป้องกัน เช่น วงจรแคลมป์หรือตัวจำกัดแรงดันไฟฟ้าของเกต เพื่อป้องกันเกตจากแรงดันไฟฟ้าเกินโดยไม่ตั้งใจ
ด้วยการใช้ซีเนอร์ไดโอด 5.1V ขนานกับตัวเก็บประจุบูทสแตรป ทำให้ LT8390A ของ ADI สามารถใช้เป็นตัวควบคุมเกต 5V ได้ (รูปที่ 3) วิธีนี้จะยึดแรงดันไฟฟ้าของเกตไว้ที่ระดับการขับขี่ที่แนะนำ ดังนั้นอุปกรณ์จึงอยู่ในช่วงการทำงานที่ปลอดภัยเสมอ เพื่อให้การป้องกันมากขึ้น คุณสามารถเชื่อมต่อตัวต้านทาน 10 Ω อนุกรมกับวงจรบูทสแตรป เพื่อลดปรากฏการณ์เสียงเรียกเข้าที่อาจเกิดจากโหนดสวิตชิ่งกำลังสูงที่รวดเร็วมาก