【導讀】面對社會和監(jiān)管要求，電源效率一直是電子系統(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)施的應(yīng)用，電源轉(zhuǎn)換效率和功率密度是設(shè)計成功的關(guān)鍵。
為了滿足這些要求，開關(guān)模式電源系統(tǒng)的設(shè)計者需要從使用傳統(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)為使用其它器件，因為硅器件正在迅速接近其理論極限。
因此設(shè)計者需要考慮基于寬帶隙 (WBG) 材料的器件，如氮化鎵 (GaN)。GaN 器件的開關(guān)速度比硅器件快，能處理更高的電壓和功率水平，在既定功率水平下體積小得多，而且運行效率高得多。
本文將探討氮化鎵場效應(yīng)晶體管 (GaN FET) 的基本原理，展示其在開關(guān)模式電源電路中相對于傳統(tǒng)硅器件的優(yōu)勢，介紹Nexperia的實際案例，并對其應(yīng)用進行了討論。
01 GaN FET 基礎(chǔ)知識
電源轉(zhuǎn)換電路的基本元件是高壓半導體開關(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：通過減少導通狀態(tài)下的串聯(lián)電阻來減少傳導損耗，通過提高轉(zhuǎn)換速度來減少開關(guān)損耗，以及減少寄生效應(yīng)等。總的來說，這些設(shè)計工作對硅 MOSFET 和 IGBT 來說是成功的，但隨著這些器件的運行速度達到其理論極限，改進的速度也在減緩。
因此，在過去的幾年里，使用碳化硅 (SiC) 和 GaN 的 WBG（寬帶隙）器件已經(jīng)推出，并達到了批量生產(chǎn)的程度。這些器件提供了更高的工作電壓范圍、更快的開關(guān)時間和更高的效率。
半導體的帶隙是激發(fā)電子使之從束縛狀態(tài)釋放到自由狀態(tài)以進行導電所需的最小能量（表 1）。
表 1：區(qū)分寬帶隙半導體（如 GaN 和 SiC）與硅半導體的關(guān)鍵屬性摘要。（表格來源：Art Pini）
用寬帶隙半導體制造的器件相比傳統(tǒng)半導體材料（如硅）具有更高的工作電壓、頻率和溫度。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，在正常條件下這些器件可以在更高的功率水平上運行。具有較高臨界電場和較高遷移率的寬帶隙半導體具有最低的漏源導通電阻 (RDS(ON))，從而減少了傳導損耗。
大多數(shù)寬帶隙材料也有很高的自由電子速度，這使它們能夠以更高的開關(guān)速度工作。
GaN 和 SiC 屬復合半導體，與帶隙為 1.12 電子伏特 (eV) 的硅相比，其帶隙分別為 3.4 eV 和 3.3 eV，高出約三倍。這意味著兩者都能支持更高的電壓和更高的頻率。
GaN 更高的電子遷移率使之更適合于高性能、高頻率應(yīng)用。GaN 功率FET 實現(xiàn)了更快的開關(guān)速度和更高的工作頻率，從而改善了信號控制，實現(xiàn)了截止頻率更高的無源濾波器設(shè)計，并降低了紋波電流。這樣就可以使用更小的電感、電容和變壓器，從而減少了整體尺寸和重量。
GaN FET 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)的一個功能（圖 1）。
圖 1：基于硅基底的 GaN FET 橫截面圖。（圖片來源：Nexperia）
GaN FET 利用的是現(xiàn)有的硅 CMOS 生產(chǎn)設(shè)施，因此性價比高。在純 GaN 層生長之前，通過沉積種子層和作為隔離層的氮化鎵鋁 (AlGaN) 緩變層（圖中未顯示），在硅基底上形成氮化鎵層。第二個 AlGaN 層則沉積在 GaN 層上面。這樣就建立了壓電極化，緊接著在 AlGaN 下面產(chǎn)生過量的電子，這是一個高度導電的通道。這種過量的電子稱為二維電子氣 (2DEG)。這個名字反映了在該層中有非常高的電子遷移率。
柵極下面形成了一個耗盡區(qū)。柵極的操作類似于一個 N 溝道、增強模式功率硅 MOSFET。在該器件柵極施加一個正電壓即可導通。
重復多次這種結(jié)構(gòu)，即可形成一個電源器件。最終形成一個絕對簡單、優(yōu)雅的高性價比電源開關(guān)解決方案。
為了讓器件電壓更高，可增加漏極和柵極之間的距離。由于GaN 2DEG 的電阻率非常低，與硅器件相比，增加阻斷電壓能力對導通電阻的影響要小得多。
GaN FET 的工作模式可以構(gòu)造為兩種配置，即增強模式或耗盡模式。增強模式 FET 是常閉的，因此必須在柵極上施加相對于漏極/源極的正電壓，以使 FET 導通。耗盡型 FET 是常開的，因此必須施加相對于漏極/源極的負柵極電壓來關(guān)斷 FET。耗盡型 FET 在電源系統(tǒng)中是有問題的，因為在給系統(tǒng)通電之前，必須對氮化鎵耗盡型 FET 施加負偏壓。
解決這個問題的一個方法是將低壓硅 FET 與耗盡型 GaN FET 組合在一個共源共柵放大電路配置中（圖 2）。
圖 2：低壓硅 MOSFET 與耗盡型GaN FET 的共源共柵配置，會使硅柵結(jié)構(gòu)的穩(wěn)健性與 GaN 器件的高壓時鐘特性得到改善，并且使用耗盡型 GaN FET 時讓復合器件在上電時關(guān)斷。（圖片來源：Nexperia）
該共源共柵放大電路采用了 Si MOSFET 柵極結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點是與現(xiàn)有的 MOSFET 柵極驅(qū)動器 IC 相匹配的柵極驅(qū)動極限更高，而且耗盡型 GaN FET 在上電時是關(guān)斷的。
GaN FET 的主要特點之一就是其高效率。這是由于：低串聯(lián)電阻降低了傳導損耗；它們的開關(guān)速度較快，降低了開關(guān)損耗；以及它們的反向恢復電荷較少，這也是它們的反向恢復損耗較低的原因。
使用常見的半橋升壓轉(zhuǎn)換器拓撲時，可以比較 GaN FET 和 Si MOSFET 的效率差異（圖 3）。
圖 3：圖示為一個半橋升壓轉(zhuǎn)換器的原理圖，用于比較 Si MOSFET 和 GaN FET 的效率，通過用每種類型器件替換晶體管 Q1 和 Q2 即可。（圖片來源：Nexperia）
升壓轉(zhuǎn)換器的輸入電壓為 240 伏，輸出電壓為 400 伏，開關(guān)頻率為 100 千赫(kHz)。在最高 3500 瓦的功率范圍內(nèi)比較了它們的效率和損失（圖 4）。
圖 4：在一個相同的電路中，對 GaN FET 和 Si MOSFET 的效率和功率損耗進行比較，顯示了 GaN FET 的優(yōu)勢。（圖片來源：Nexperia）
與 MOSFET 相比， GaN FET 的工作效率高約 20%，功率損耗低約 3 倍。在 2000 瓦時，MOSFET的損耗約為 62 瓦；在 GaN FET 中，損耗僅為 19 瓦。這意味著冷卻系統(tǒng)可以更小，從而提高升壓轉(zhuǎn)換器的體積效率。
不太明顯的是，由于GaN FET 的最大電壓限制較高，因此測量功率幾乎進行到了3500 瓦。因此，GaN FET 具有絕對優(yōu)勢。
02 用氮化鎵啟動高壓器件設(shè)計
對于更高的電壓應(yīng)用，Nexperia 提供了兩種 650 伏的 GaN FET：GAN063-650WSAQ 和 GAN041-650WSBQ。兩者均為常閉型 N 溝道場效應(yīng)管。GAN063-650WSAQ 處理的額定最大漏源電壓為 650 伏，可承受 800 伏的瞬態(tài)（脈沖寬度小于一微秒）。其額定漏電流為 34.5 安培 (A)，在 25℃ 時的功率耗散為 143 瓦。漏源導通電阻通常為 50 毫歐 (mΩ)，最大極限為 60 mΩ。
GAN041-650WSBQ 具有相同的 650 伏額定最大漏源電壓和 800 伏瞬態(tài)極限電壓。其不同之處在于，在室溫下可以處理 47.2 A 的最大漏電流和 187 瓦的最大功率耗散。其典型的通道電阻為 35 mΩ，最大為 41 mΩ。
圖 5 顯示了在半橋配置中使用 GAN063-650WSAQ 的 Nexperia 參考設(shè)計。
圖 5：使用 GAN063-650WSA GaN FET 的半橋功率級的推薦設(shè)計。該原理圖只顯示了 FET 驅(qū)動器和半橋輸出級以及相關(guān)元件。（圖片來源：Nexperia）
該原理圖顯示了 Si8230 高/低雙隔離柵極驅(qū)動器，可用于驅(qū)動 GaN FET 的柵極。該柵極驅(qū)動器的輸出通過一個 30 Ω 的柵極電阻器連接到柵極，這是所有 GaN 器件都需要的。柵極電阻器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)動電平在 0 和10 至 12 伏之間。
GaN FET 的高開關(guān)速度（通常在 10 至 11 納秒 (ns) 范圍內(nèi)）需要精心布局，以盡量減少寄生電感，并使用 RC 吸收電路來抑制電壓和電流瞬變引起的瞬時振蕩。在設(shè)計中，高壓電源和地之間要設(shè)置多個 RC 吸收電路（R17 至 19 和 C33 至 35）。吸收電路減少了因GaN FET 和旁路網(wǎng)絡(luò)的相互作用引起的瞬時振蕩。吸收電路連接應(yīng)盡可能靠近高壓側(cè) FET 的漏極。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，以盡量減少引線電感。
由 R4、D1、C12和 C13組成的元件網(wǎng)絡(luò)是高壓柵極驅(qū)動器的自舉電源。D1應(yīng)該是一個快速、低容二極管，因為其結(jié)電容會造成開關(guān)損耗。R4限制浪涌充電電流；數(shù)值在 10 至 15Ω 之間效果為佳。
03 結(jié)語
從電動汽車到通信和工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施，人們對更高電力轉(zhuǎn)換效率和更高功率密度的需求不斷增加，這就要求從傳統(tǒng)硅結(jié)構(gòu)器件轉(zhuǎn)而使用其他材料器件。綜上所述，氮化鎵場效應(yīng)晶體管 (GaN FET) 通過提供更高的工作電壓、更快的開關(guān)速度和更高的效率，為下一代設(shè)計提供了一條出路。現(xiàn)成即用的元器件，加上某些參考設(shè)計支持，將幫助設(shè)計者將項目快速啟動并使之運轉(zhuǎn)。
小編的話
GaN已經(jīng)在PD快充這類設(shè)計中得到廣泛應(yīng)用，并正在向數(shù)據(jù)中心服務(wù)器和汽車等工業(yè)領(lǐng)域拓展。提高工作電壓有利于GaN器件擴展其應(yīng)用范圍，相信本文介紹的GaN FET器件在高壓電源中的應(yīng)用和設(shè)計方法，能夠給大家?guī)碛幸娴膮⒖肌?/p>
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