ADI 的 GaN 功率元件和工具開創設計契機

氮化鎵 (GaN) 半導體自 1990 年代初期以商業可行的高亮度藍光發光二極體 (LED) 型式問世以來，已歷經長期發展，隨後更成為藍光光碟播放器的核心技術。將近二十年後，此技術才在具有高能源效率的場效電晶體 (FET) 上達到商業可行性。

GaN 現在是半導體產業成長最快的市場領域之一，複合年增長率估計在 25% 至 50% 之間；此成長是由裝置對更高能效的需求所推動，以便達成永續和電氣化的目標。

GaN 電晶體可用於設計比矽電晶體更小、效率更高的裝置。GaN 原本用於大功率微波放大器系統，但 GaN 製造的規模經濟以及打造小型但更強大放大器的能力，已經擴大到可創造數十億美元的裝置市場，橫跨消費性、工業和軍事應用。

人們普遍認為矽 MOSFET 已經達到電力電子的理論極限，但 GaN FET 仍具有進一步提高效能的巨大潛力。GaN 半導體最常使用碳化矽 (SiC) 基板，其次是更經濟的矽，或效能最好但又最昂貴的金剛石。與矽基裝置相比，GaN 裝置可在更高的溫度下工作，且具有更高的電子遷移率和速度，而且逆向恢復電荷較低甚至全無。

GaN 功率半導體的功率密度約是砷化鎵 (GaAs) 功率放大器半導體的五倍。GaN 半導體的能源效率達 80% 以上，比起 GaAs 和橫向擴散金屬氧化物半導體 (LDMOS) 等替代品，具有更優異的功率、頻寬和效率。此技術現在已運用在多種應用，從快速充電的電源配接器到整合到汽車先進駕駛輔助系統 (ADAS) 中的光達 (LiDAR) 裝置。

資料中心也是 GaN 架構裝置的另一個新興市場，不僅可符合更嚴格的功耗與散熱要求以降低成本，並有助於營運業者因應法規與政治層面上不斷出現的環保爭議。

半導體製造商和市場研究公司還預測，在電動車的低壓與高壓應用上會有逐漸成長的市場需求，包括從更高效率的電池到電池牽引逆變器等。

迄今為止，這個領域一直由 SiC 裝置主導，其與 GaN 一樣都屬於具有高電子遷移率的寬能隙 (WBG) 半導體，「能讓電力電子元件比矽 (Si) 基同類產品更小、更快、更可靠、更高效。」 GaN 的能隙為 3.4 eV，SiC 的能隙為 2.2 eV，SI 的能隙則為 1.12 eV。

與矽相比，GaN 和 SiC 功率半導體的工作頻率更高，切換速度更快，導通電阻更低。SiC 裝置可以在更高的電壓下工作，GaN 裝置則可在以更低的能耗提供更快速的切換，因此設計人員能縮減尺寸和重量。SiC 可支援高達 1,200 V 的電壓，而 GaN 通常認為更適合高達 650 V 的電壓，但近期已推出更高電壓的裝置。

與 GaAs 和其他半導體相比，GaN 可提供約 10 倍的頻率範圍功率 (圖 1)。

圖 1：微波頻率範圍的電力電子裝置比較。(資料來源：Analog Devices, Inc.)

設計考量

據估計，全球消耗的電能中有 70% 以上都經過電力電子裝置處理。憑藉 GaN 的寬能隙特性，設計人員可以利用更高的功率密度、優異的效率和超快的切換速度來打造更小巧的電力電子系統。

此技術能讓眾多市場進行創新，包括電力電子、汽車、太陽能儲能和資料中心等等。GaN 裝置具有很強的抗輻射性，非常適合新興的軍事和航太應用。

礙於對材料成本的誤解，有些電子設計人員可能已經避開 GaN 功率裝置。雖然 GaN 基板的製造成本最初遠高於矽，但此差異已經大大縮小，不同基板的利用能讓設計人員在成本和效能之間找到最佳取捨。

碳化矽基氮化鎵 (GaN-on-SiC) 能為設計人員提供最廣泛的市場潛力，可在成本和效能之間達到最佳取捨。然而，透過矽基氮化鎵和金剛石氮化鎵的選項，產品設計人員就可選擇最合適的基板，以滿足其組織和客戶的性價比需求。

由於 GaN 的切換速率非常高，設計人員需要特別注意電磁干擾 (EMI)，並瞭解如何在電源迴路佈局中減輕電磁干擾。主動式柵極驅動器是避免電壓過衝的關鍵要件，可以降低切換波形中的 EMI。

另一個關鍵的設計問題在於寄生電感值和電容量，以免導致誤觸。是否能發揮最大的效能優勢，取決於橫向和垂直電源迴路的最佳佈局，以及驅動器的速度與裝置的速度是否匹配。

設計人員也必須進行熱管理最佳化，以免過熱導致效能和可靠性受損。封裝的評估重點應該擺在其是否可降低電感值並散熱。

Analog Devices 提供 GaN 功率放大器

電子系統必須在電源的電壓以及要受電之電路的電壓之間進行轉換。長期領先的半導體公司 Analog Devices, Inc. (ADI) 致力於提供業界領先的 GaN 功率放大器效能和支援，以便設計人員達到最高的效能目標，並且更快速將解決方案推向市場。

閘極驅動器和降壓控制器對於發揮 GaN 功率裝置的最大優勢來說是關鍵要件。半橋 GaN 驅動器可增進電源系統的切換效能和整體效率。DC-DC 降壓轉換器可將較高的輸入電壓轉換為較低的輸出電壓。

ADI 提供的 LT8418 是一款 100 V 半橋 GaN 驅動器，其中整合了頂端和底部驅動器級、驅動器邏輯控制、防護元件和自舉開關 (圖 2)。可配置成同步半橋降壓或升壓拓撲。分離式閘極驅動器可調整 GaN FET 的導通和關斷迴轉率，以便達到最佳化 EMI 效能。

圖 2：ADI 的 LT8418 GaN 架構切換式 DC/DC轉換器原理圖。(資料來源：Analog Devices, Inc.)

ADI 的 GaN 驅動器在輸入和輸出端採預設低位，以免 GaN FET 誤導通。LT8418 具有 10 ns 的快速傳播延遲，且在頂端和底部通道之間僅有 1.5 ns 的延遲匹配，因此適用於高頻 DC/DC 轉換器、馬達驅動器、D 類音訊放大器、資料中心電源供應器，以及消費性、工業和汽車市場中的多種電源應用。

LTC7890 和 LTC7891 (圖3) 分別是高效能的雙通道和單通道降壓 DC-DC 切換式穩壓控制器，可用來驅動輸入電壓高達 100 V 的 N 通道同步 GaN FET 功率級。這些控制器的目標是克服設計人員在使用 GaN FET 時所面臨的許多挑戰；由於無需保護二極體或矽 MOSFET 解決方案中常用的其他附加外部元件，因此可簡化應用設計。

圖 3：ADI 的 LTC7891 降壓控制器。(資料來源：Analog Devices, Inc.)

每個控制器能讓設計人員在 4 V 至 5.5 V 範圍內精確調整閘極驅動器的電壓，以便發揮最佳化效能，並可使用不同的 GaN FET 和邏輯位準 MOSFET。內部智慧型自舉開關可避免在失效時間內對 BOOSTx 引腳對 SWx 引腳高側驅動器電源過度充電，進而保護頂端 GaN FET 的閘極。

這兩個元件可在其切換邊緣上達到最佳化的閘極驅動器時序，以達到近乎零失效時間，因此可增進效率並達到高頻運作。設計人員亦可使用外部電阻調整失效時間。這些裝置採用四方扁平無引線 (QFN) 封裝，並具有側面可潤濕側翼。原理圖顯示出採用 40 引腳、6 mm x 6 mm LTC7890 (圖 4)，以及 28 引腳、4 mm x 5 mm LTC7891(圖 5) 配置的典型應用電路。

圖 4：採用 ADI LTC7890 的典型應用電路原理圖。(資料來源：Analog Devices, Inc.)

圖 5：採用 ADI 28 引腳 LTC7891 的降壓穩壓器原理圖。(資料來源：Analog Devices, Inc.)

設計人員還可以利用 ADI 一系列電源管理工具產品來達到電源效能目標及電路板最佳化。此工具組包括可變降壓電阻計算器、訊號鏈功率配置器，以及 Windows 系統的開發環境。

結論

GaN 是一種革命性的半導體材料，可用來生產具有高功率密度、超快切換速度和優異電源效率的元件。產品設計人員可以利用 ADI 的 GaN FET 閘極驅動器產品，以更少的元件打造更可靠有效的系統，以更小型的系統縮減覆蓋區和重量。