बिजली अनुप्रयोगों में, गैलियम नाइट्राइड (GaN) उपकरणों में पारंपरिक सिलिकॉन MOSFET उपकरणों की तुलना में महत्वपूर्ण प्रदर्शन और दक्षता लाभ हैं।गैलियम नाइट्राइड उपकरण विभिन्न उद्योगों की जरूरतों को पूरा कर सकते हैंलेकिन कुछ अनुप्रयोगों के लिए, वे महत्वपूर्ण डिजाइन चुनौतियों का सामना करेंगे।
कॉम्पैक्ट यूएसबी-सी चार्जर और इलेक्ट्रॉनिक कार चार्जर से लेकर सौर और डेटा सेंटर अनुप्रयोगों तक, डिजाइनर छोटे, हल्के,और बेहतर शीतलन उत्पाद.
GaN उपकरणों की तेजी से स्विचिंग गति को देखते हुए, डिजाइनरों को कई चुनौतियों का सामना करना पड़ेगा, जिसमें परजीवी प्रेरण, अधिक सटीक गेट नियंत्रण आवश्यकताएं, गेट रिसाव वर्तमान,और रिवर्स कंडक्शन वोल्टेज गिरावट.
एक समर्पित GaN नियंत्रक कुछ GaN आधारित अनुप्रयोगों को डिजाइन करने के लिए एक आदर्श विकल्प है। उदाहरण के लिए, एनालॉग डिवाइस, इंक GaN पावर नियंत्रकों की एक श्रृंखला प्रदान करता है।डिजाइनर सरल समर्पित GaN FET ड्राइवरों का उपयोग कर सकते हैं, जैसे कि LT8418 100V आधा पुल GaN ड्राइवर एक एकीकृत बुद्धिमान बूटस्ट्रैप स्विच के साथ (चित्र 1) ।
चित्र 1: ADI का समर्पित LT8418 आधा पुल GaN ड्राइवर। (छवि स्रोतः एनालॉग डिवाइस, इंक)
यह उपकरण एक अलग गेट ड्राइवर का उपयोग करता है, जो चालू और बंद अवधि के दौरान GaN FET की स्लीव दर को सटीक रूप से नियंत्रित करता है, जिससे रिंगिंग को दबाया जाता है और EMI प्रदर्शन में वृद्धि होती है।डिवाइस परजीवी प्रेरण को कम करने के लिए वेफर स्तर चिप स्तर पैकेजिंग (डब्ल्यूएलसीएसपी) का भी उपयोग करता है.
इसके अतिरिक्त, अधिक जटिल नियंत्रकों का चयन किया जा सकता है, जैसे कि GaN FET के लिए LTC7890 और LTC7891 (चित्र 2) उच्च प्रदर्शन वाले डबल बक डीसी/डीसी स्विचिंग नियामक नियंत्रक।
चित्र 2: उच्च प्रदर्शन ADI LTC7891 डीसी/डीसी स्विचिंग नियामक नियंत्रक GaN FET के लिए उपयुक्त है।
सिलिकॉन एमओएसएफईटी समाधानों के विपरीत, एलटीसी7890/एलटीसी7891 उपकरणों को सुरक्षात्मक डायोड या अन्य बाहरी घटकों की आवश्यकता नहीं होती है।इन उपकरणों के गेट ड्राइविंग वोल्टेज 4 वी और 5 वी के बीच ठीक से समायोजित किया जा सकता है.5 V प्रदर्शन को अनुकूलित करने और अन्य GaN FETs या तर्क स्तर MOSFETs के उपयोग का समर्थन करने के लिए।
जब सिलिकॉन नियंत्रक एकमात्र विकल्प है
वर्तमान में 4 स्विच बक बूस्ट नियंत्रकों जैसे प्रमुख घटकों के लिए कोई समर्पित GaN नियंत्रक नहीं है।इंजीनियरों GaN FETs ड्राइव करने के लिए MOSFETs के लिए मूल रूप से डिजाइन नियंत्रकों का उपयोग करने में सक्षम हो सकता हैयदि सिलिकॉन उपकरणों के लिए नियंत्रकों का सीधे GaN अनुप्रयोगों में उपयोग किया जाता है, तो घटकों के चयन और सर्किट बोर्डों के डिजाइन में अतिरिक्त सावधानी बरती जानी चाहिए,और अन्य सर्किट भी आवश्यक हो सकते हैं.
उच्च शक्ति वाले कन्वर्टर्स में, पारंपरिक गेट ड्राइवरों का आउटपुट वोल्टेज आमतौर पर 5 वी से अधिक होता है, आमतौर पर 7 वी और 10 वी के बीच होता है, और कभी-कभी इससे भी अधिक होता है।यह समस्याओं का कारण बन सकता है क्योंकि GaN FET का अधिकतम नामित गेट वोल्टेज आमतौर पर केवल 6V हैयदि पीसीबी पर भटकने वाले प्रेरण के कारण वोल्टेज स्पाइक या रिंगिंग के कारण इस सीमा को संक्षिप्त रूप से पार कर लिया जाता है, तो यह GaN डिवाइस को स्थायी रूप से क्षतिग्रस्त कर सकता है।
इन समस्याओं से बचने के लिए, डिजाइनरों को नियंत्रक को सही ढंग से चुनने और पीसीबी लेआउट की बारीकी से निगरानी करने की आवश्यकता है, विशेष रूप से गेट और स्रोत वापसी मार्गों के आसपास,ताकि कम प्रेरण क्षमता को यथासंभव बनाए रखा जा सके और अनावश्यक वोल्टेज ओवरशूट को कम किया जा सके.
कई एमओएसएफईटी ड्राइवर अनियंत्रित सिलिकॉन गेट ड्राइवरों का उपयोग करते हैं, लेकिन उनका वोल्टेज गाएन एफईटी के पूर्ण अधिकतम वोल्टेज से ऊपर हो सकता है।गेट ड्राइव वोल्टेज के प्रबंधन पर विचार किया जाना चाहिए, बूटस्ट्रैप बिजली की आपूर्ति को विनियमित, और मृत समय का अनुकूलन।
4-स्विच बक बूस्ट डिवाइस को GaN FET में अप्रत्याशित ओवरवोल्टेज को रोकने के लिए 5V गेट कंट्रोलर का उपयोग करना चाहिए।यह भी सुरक्षा घटकों जैसे कि क्लैंप सर्किट या गेट वोल्टेज लिमिटर्स के प्रवेश द्वार को आकस्मिक ओवरवोल्टेज से बचाने के लिए महत्वपूर्ण है.
एक बूटस्ट्रैप कैपेसिटर के साथ समानांतर में 5.1V ज़ेनर डायोड का उपयोग करके, ADI के LT8390A का उपयोग 5V गेट नियंत्रक के रूप में किया जा सकता है (चित्र 3) यह अनुशंसित ड्राइविंग स्तर पर गेट वोल्टेज को क्लैंप करेगा,तो डिवाइस हमेशा सुरक्षित परिचालन सीमा के भीतर हैअधिक सुरक्षा प्रदान करने के लिए, एक 10 Ω प्रतिरोध को बूटस्ट्रैप सर्किट के साथ श्रृंखला में जोड़ा जा सकता है ताकि किसी भी रिंगिंग घटना को कम किया जा सके जो बहुत तेजी से उच्च-शक्ति स्विचिंग नोड्स के कारण हो सकती है।