Trong các ứng dụng năng lượng, thiết bị gallium nitride (GaN) có lợi thế về hiệu suất và hiệu suất đáng kể so với các thiết bị MOSFET silicon truyền thống. Thiết bị Gallium nitride có thể đáp ứng nhu cầu của nhiều ngành công nghiệp khác nhau với mật độ cao hơn, tốc độ chuyển mạch nhanh hơn và hiệu suất năng lượng cao hơn. Nhưng đối với một số ứng dụng, chúng sẽ phải đối mặt với những thách thức đáng kể về thiết kế.
Từ bộ sạc USB-C nhỏ gọn và bộ sạc điện tử trên ô tô cho đến các ứng dụng năng lượng mặt trời và trung tâm dữ liệu, các nhà thiết kế mong muốn sử dụng công nghệ bán dẫn GaN để tạo ra các sản phẩm nhỏ hơn, nhẹ hơn và làm mát tốt hơn.
Với tốc độ chuyển đổi nhanh của các thiết bị GaN, các nhà thiết kế sẽ phải đối mặt với nhiều thách thức, bao gồm độ tự cảm ký sinh, yêu cầu điều khiển cổng chính xác hơn, dòng rò cổng và sụt áp dẫn ngược.
Bộ điều khiển GaN chuyên dụng là lựa chọn lý tưởng để thiết kế một số ứng dụng dựa trên GaN. Ví dụ: Analog Devices, Inc. cung cấp nhiều bộ điều khiển nguồn GaN. Các nhà thiết kế có thể sử dụng trình điều khiển GaN FET chuyên dụng đơn giản, chẳng hạn như trình điều khiển GaN nửa cầu LT8418 100V có công tắc khởi động thông minh tích hợp (Hình 1).
Hình 1: Trình điều khiển GaN nửa cầu LT8418 chuyên dụng của ADI. (Nguồn hình ảnh: Analog Devices, Inc.)
Thiết bị này sử dụng trình điều khiển cổng riêng biệt để kiểm soát chính xác tốc độ quay của GaN FET trong thời gian bật và tắt, nhờ đó ngăn chặn tiếng chuông và nâng cao hiệu suất EMI. Thiết bị này cũng sử dụng cách đóng gói cấp chip cấp độ wafer (WLCSP) để giảm thiểu độ tự cảm ký sinh.
Ngoài ra, có thể chọn các bộ điều khiển phức tạp hơn, chẳng hạn như bộ điều khiển bộ điều chỉnh chuyển mạch DC/DC kép hiệu suất cao LTC7890 và LTC7891 (Hình 2) cho GaN FET.
Hình 2: Bộ điều khiển bộ điều chỉnh chuyển mạch DC/DC ADI LTC7891 hiệu suất cao phù hợp với GaN FET. (Nguồn hình ảnh: Analog Devices, Inc.)
Không giống như các giải pháp MOSFET silicon, thiết bị LTC7890/LTC7891 không yêu cầu điốt bảo vệ hoặc các bộ phận bên ngoài khác. Điện áp điều khiển cổng của các thiết bị này có thể được điều chỉnh chính xác trong khoảng từ 4 V đến 5,5 V để tối ưu hóa hiệu suất và hỗ trợ sử dụng các FET GaN hoặc MOSFET mức logic khác.
Khi bộ điều khiển silicon là lựa chọn duy nhất
Hiện tại không có bộ điều khiển GaN dành riêng cho các thành phần chính như bộ điều khiển tăng tốc 4 công tắc. Với việc vận hành cẩn thận, các kỹ sư có thể sử dụng bộ điều khiển được thiết kế ban đầu cho MOSFET để điều khiển GaN FET, từ đó cải thiện công suất và hiệu suất. Nếu bộ điều khiển dành cho thiết bị silicon được sử dụng trực tiếp trong các ứng dụng GaN, thì phải hết sức thận trọng khi lựa chọn các thành phần và thiết kế bảng mạch cũng như các mạch khác.
Trong các bộ chuyển đổi công suất cao, điện áp đầu ra của bộ điều khiển cổng truyền thống thường cao hơn 5 V, thường là từ 7 V đến 10 V, và đôi khi còn cao hơn. Khi điều khiển GaN FET với điện áp này có thể gây ra vấn đề vì điện áp cổng định mức tối đa của GaN FET thường chỉ là 6V. Ngay cả khi giới hạn này bị vượt quá trong thời gian ngắn do điện áp tăng vọt hoặc tiếng chuông gây ra bởi điện cảm lạc trên PCB, nó có thể làm hỏng thiết bị GaN vĩnh viễn.
Để tránh những vấn đề này, các nhà thiết kế cần chọn bộ điều khiển một cách chính xác và giám sát chặt chẽ cách bố trí PCB, đặc biệt là xung quanh cổng và đường dẫn trở về nguồn, để duy trì độ tự cảm thấp nhất có thể và giảm hiện tượng vọt điện áp không cần thiết.
Nhiều trình điều khiển MOSFET sử dụng trình điều khiển cổng silicon không được điều chỉnh, nhưng điện áp của chúng có thể vượt quá điện áp tối đa tuyệt đối của GaN FET. Khi thiết kế, cần cân nhắc việc quản lý điện áp ổ đĩa cổng, điều chỉnh nguồn điện khởi động và tối ưu hóa thời gian chết.
Thiết bị tăng áp 4 công tắc phải sử dụng bộ điều khiển cổng 5V để ngăn chặn tình trạng quá điện áp bất ngờ trong GaN FET. Điều quan trọng nữa là phải giới thiệu các bộ phận bảo vệ như mạch kẹp hoặc bộ giới hạn điện áp cổng để bảo vệ cổng khỏi quá điện áp vô tình.
Bằng cách sử dụng diode Zener 5.1V song song với tụ điện khởi động, LT8390A của ADI có thể được sử dụng làm bộ điều khiển cổng 5V (Hình 3). Điều này sẽ kẹp điện áp cổng ở mức lái xe được khuyến nghị để thiết bị luôn nằm trong phạm vi hoạt động an toàn. Để bảo vệ tốt hơn, điện trở 10 Ω có thể được mắc nối tiếp với mạch khởi động để giảm bất kỳ hiện tượng đổ chuông nào có thể do các nút chuyển mạch công suất cao rất nhanh gây ra.