原標(biāo)題：為什么以及如何將GaN場效應(yīng)晶體管應(yīng)用于高效、更高電壓、開關(guān)模式電源應(yīng)用

　　面對社會和監(jiān)管要求，電源效率是電子系統(tǒng)的優(yōu)先事項。特別是，對于從電動汽車 (EV) 到高壓通信和工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施的各種應(yīng)用，功率轉(zhuǎn)換效率和功率密度對于設(shè)計成功至關(guān)重要。

　　為了滿足這些要求，開關(guān)模式電源系統(tǒng)的設(shè)計人員需要從使用傳統(tǒng)的硅(Si)基金屬氧化物場效應(yīng)晶體管(MOSFET)和絕緣柵雙極晶體管(IGBT)轉(zhuǎn)變，因為它們正在迅速接近其理論極限。

　　相反，設(shè)計人員需要考慮基于寬帶隙(WBG)材料(如氮化鎵(GaN))的器件。GaN器件的開關(guān)速度比硅器件快，可處理更高的電壓和功率水平，對于給定的功率水平，GaN器件要小得多，并且運行效率要高得多。

　　本文將研究GaN FET的基礎(chǔ)知識，展示它們在開關(guān)模式電源電路中相對于傳統(tǒng)硅器件的優(yōu)勢，并介紹來自 安世半導(dǎo)體，并討論其應(yīng)用。

　　氮化鎵場效應(yīng)管的基礎(chǔ)知識

　　電源轉(zhuǎn)換電路中的基本元件是高壓半導(dǎo)體開關(guān)。設(shè)計人員一直專注于通過以下方式提高這些器件的性能：通過降低導(dǎo)通串聯(lián)電阻來降低傳導(dǎo)損耗，通過提高轉(zhuǎn)換速度來降低開關(guān)損耗，以及減少寄生效應(yīng)?？偟膩碚f，這些設(shè)計工作在硅MOSFET和IGBT上取得了成功，但隨著這些器件的運行達(dá)到其理論極限，改進(jìn)速度一直在放緩。

　　因此，在過去幾年中，WBG器件的引入使用了碳化硅(SiC)和GaN，以至于它們已達(dá)到批量生產(chǎn)。這些器件提供更高的工作電壓范圍、更快的開關(guān)時間和更高的效率。

　　半導(dǎo)體的帶隙是激發(fā)電子以將它們從束縛態(tài)釋放到自由態(tài)以導(dǎo)電所需的最小能量(表 1)。

　　表1：區(qū)分寬帶隙半導(dǎo)體(如GaN和SiC)與硅的關(guān)鍵特性摘要(表來源：Art Pini)

　　采用寬帶隙半導(dǎo)體制成的器件可以在比硅等傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料高得多的電壓、頻率和溫度下工作。更寬的帶隙對于允許器件在更高的溫度下工作尤為重要。耐高溫意味著，在正常條件下，這些設(shè)備可以在更高的功率水平下運行。具有更高臨界電場和更高遷移率的WBG半導(dǎo)體具有最低的漏源導(dǎo)通電阻(RDS(ON))，從而減少傳導(dǎo)損耗。

　　大多數(shù)寬帶隙材料還具有高自由電子速度，這使得它們能夠以更高的開關(guān)速度工作。

　　與帶隙為1.12電子伏特(eV)的Si相比，GaN和SiC是化合物半導(dǎo)體，其帶隙分別在3.4 eV和3.3 eV時高出約三倍。這意味著兩者都可以支持更高的電壓和更高的頻率。

　　GaN更高的電子遷移率使其更適合高性能、高頻應(yīng)用。GaN 功率 FET 可實現(xiàn)更快的開關(guān)速度和更高的工作頻率，從而改善信號控制、具有更高截止頻率的無源濾波器設(shè)計和更低的紋波電流。這允許使用更小的電感器、電容器和變壓器，從而減小了整體尺寸和重量。

　　氮化鎵場效應(yīng)管被稱為高電子遷移率晶體管(HEMT)。高電子遷移率是FET結(jié)構(gòu)的函數(shù)(圖1)。

　　圖 1：基于 Si 襯底的 GaN FET 的橫截面圖。(圖片來源：安世半導(dǎo)體)

　　GaN FET利用現(xiàn)有的硅CMOS生產(chǎn)設(shè)施，使其具有成本效益。在純GaN層生長之前，通過在純GaN層生長之前沉積晶種層以及GaN和氮化鋁鎵(AlGaN)的分級層作為隔離層(圖中未顯示)，在Si襯底上形成GaN層。第二個AlGaN層沉積在GaN層的頂部。這建立了壓電極化，在AlGaN(高導(dǎo)電通道)下方立即產(chǎn)生過量的電子。這種過量的電子被稱為二維電子氣體(2DEG)。這個名字反映了這一層中非常高的電子遷移率。

　　在門下方形成一個耗盡區(qū)域。柵極的操作類似于N溝道、增強(qiáng)模式功率硅MOSFET。施加到此設(shè)備柵極的正電壓將其打開。

　　該結(jié)構(gòu)重復(fù)多次以形成功率器件。最終結(jié)果是一個簡單、優(yōu)雅、經(jīng)濟(jì)高效的電源開關(guān)解決方案。

　　為了獲得更高電壓的器件，增加了漏極和柵極之間的距離。由于GaN 2DEG的電阻率非常低，因此與硅器件相比，通過增加阻斷電壓能力對電阻的影響要小得多。

　　GaN FET可以構(gòu)建為在兩種配置中的任何一種下工作：增強(qiáng)模式或耗盡模式。增強(qiáng)模式 FET 通常關(guān)斷，因此必須向柵極施加相對于漏極/源極的正電壓以打開 FET。耗盡模式FET通常導(dǎo)通，因此必須施加相對于漏極/源極的負(fù)柵極電壓以關(guān)閉FET。耗盡模式FET在電源系統(tǒng)中存在問題，因為在系統(tǒng)上電之前，必須對GaN耗盡模式FET施加負(fù)偏置。

　　解決此問題的一種方法是在級聯(lián)電路配置中將低壓硅 FET 與耗盡模式 GaN FET 相結(jié)合(圖 2)。

　　圖 2：采用耗盡模式 GaN FET 的級聯(lián)配置的低壓硅 MOSFET 可實現(xiàn)硅柵結(jié)構(gòu)的魯棒性，并改善 GaN 器件的高壓時鐘特性，并且在耗盡模式 GaN FET 的情況下，復(fù)合器件在上電時關(guān)閉。(圖片來源安世)

　　級聯(lián)電路采用硅 MOSFET 柵極結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有與現(xiàn)有 MOSFET 柵極驅(qū)動器 IC 匹配的更高柵極驅(qū)動限值的優(yōu)點，并且耗盡模式 GaN FET 在上電時關(guān)閉。

　　GaN FET的主要特性之一是其高效率。這是由于：低串聯(lián)電阻，可降低傳導(dǎo)損耗;其更快的開關(guān)時間，從而降低了開關(guān)損耗;以及較低的反向回收費用，這是其反向回收損失較低的原因。

　　使用通用的半橋升壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)洌梢员容^氮化鎵 FET 和硅 MOSFET 的效率(圖 3)。

　　圖 3：所示為半橋升壓轉(zhuǎn)換器的原理圖，用于通過交換每種類型的晶體管 Q1 和 Q2 來比較 MOSFET 和 GaN FET 的效率。(圖片來源：安世半導(dǎo)體)

　　升壓轉(zhuǎn)換器的輸入電壓為 240 伏，輸出為 400 伏，開關(guān)頻率為 100 千赫茲 (kHz)。在高達(dá) 3500 W 的功率范圍內(nèi)比較效率和損耗(圖 4)。

　　圖 4：相同電路中氮化鎵 FET 和 MOSFET 之間的效率和功率損耗比較，顯示了氮化鎵 FET 的優(yōu)勢。(圖片來源安世)

　　與MOSFET相比，GaN FET的效率高出約20%，功率損耗降低了約三倍。在 2000 瓦時，MOSFET 中的損耗約為 62 瓦;在氮化鎵場效應(yīng)管中，它只有19瓦。這意味著冷卻系統(tǒng)可以更小，從而提高升壓轉(zhuǎn)換器的容積效率。

　　不太明顯的是，由于GaN FET的最大電壓限制較高，因此測量功率接近3500瓦。因此，GaN FET具有明顯的優(yōu)勢。

　　用于更高電壓的氮化鎵入門

　　針對更高電壓的應(yīng)用，Nexperia提供兩個650伏氮化鎵FET，即 GAN063-650WSAQ 和 GAN041-650WSBQ.兩者都是通常關(guān)斷的N溝道FET。GAN063-650WSAQ 的額定電壓最大漏源電壓為 650 伏，可承受 800 伏的瞬態(tài)(脈沖寬度小于一微秒)。它的額定漏極電流為 34.5 安培 (A)，25°C 時的功耗為 143 瓦。 漏源導(dǎo)通電阻典型值為50毫歐(mΩ)，最大限值為60 mΩ。

　　GAN041-650WSBQ 具有相同的 650 伏最大漏源電壓額定值和相同的 800 伏瞬態(tài)限值。它的不同之處在于它可以處理室溫下 47.2 A 的最大漏極電流和 187 W 的最大功耗。其典型通道電阻為35 mΩ，最大值為41 mΩ。

　　采用半橋配置的GAN063-650WSAQ的Nexperia參考設(shè)計如圖5所示。

　　圖 5：使用 GAN063-650WSA GaN FET 的半橋功率級的推薦設(shè)計。原理圖僅顯示FET驅(qū)動器和半橋輸出級以及相關(guān)元件。(圖片來源：安世半導(dǎo)體)

　　原理圖顯示了Si8230高/低雙通道隔離柵極驅(qū)動器，用于驅(qū)動GaN FET的柵極。柵極驅(qū)動器的輸出通過30 Ω柵極電阻連接到柵極，這是所有GaN器件所必需的。柵極電阻控制柵極電容的充電時間，影響動態(tài)開關(guān)性能。FET漏極和源極之間的R-C網(wǎng)絡(luò)也有助于控制開關(guān)性能。GaN FET 的柵極驅(qū)動電平介于 0 和 10 到 12 V 之間。

　　GaN FET 的高開關(guān)速度(通常在 10 至 11 納秒 (ns) 范圍內(nèi))需要仔細(xì)布局以最小化寄生電感，并使用 RC 緩沖器來抑制由電壓和電流瞬變引起的振鈴。在高壓電源和接地之間的設(shè)計中有多個RC緩沖器(R17至19和C33至35)。緩沖器可減少由GaN FET和旁路網(wǎng)絡(luò)相互作用引起的振鈴。緩沖器應(yīng)盡可能靠近高端FET的漏極連接。它們采用表面貼裝電阻器和低有效串聯(lián)電阻 (ESR) 陶瓷電容器來實現(xiàn)，以最大限度地降低引線電感。

　　R形成的組件網(wǎng)絡(luò)4， D1， C12和 C13 是用于高端柵極驅(qū)動器的自舉電源。D1 應(yīng)該是快速、低電容二極管，因為它的結(jié)電容會導(dǎo)致開關(guān)損耗。R4 限制浪涌充電電流;10 到 15 范圍內(nèi)的值Ω效果很好。

　　結(jié)論

　　從電動汽車到通信和工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施，對更高功率轉(zhuǎn)換效率和功率密度的需求需要從傳統(tǒng)的硅結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。如圖所示，GaN FET通過提供更高的工作電壓、更快的開關(guān)時間和更高的效率，為下一代設(shè)計提供了前進(jìn)的方向?，F(xiàn)成的組件(在某些情況下由參考設(shè)計支持)可幫助設(shè)計人員快速啟動和運行項目。