為何及如何將氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管用于高效、高電壓、開關(guān)模式電源應(yīng)用

作者：Art Pini

投稿人：DigiKey 北美編輯

面對(duì)社會(huì)和監(jiān)管要求，電源效率一直是電子系統(tǒng)的優(yōu)先事項(xiàng)。特別是對(duì)于從電動(dòng)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(jì)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(jì)者需要從使用傳統(tǒng)的硅 (Si) 基金屬氧化物場(chǎng)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?yàn)楣杵骷谘杆俳咏淅碚摌O限。

因此設(shè)計(jì)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(yùn)行效率高得多。

本文將探討氮化鎵場(chǎng)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(duì)于傳統(tǒng)硅器件的優(yōu)勢(shì)，介紹 [Nexperia]的實(shí)際案例，并對(duì)其應(yīng)用進(jìn)行了討論。

GaN FET 基礎(chǔ)知識(shí)

電源轉(zhuǎn)換電路的基本元件是高壓半導(dǎo)體開關(guān)。設(shè)計(jì)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(dǎo)通狀態(tài)下的串聯(lián)電阻來減少傳導(dǎo)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?？偟膩碚f，這些設(shè)計(jì)工作對(duì)硅 MOSFET 和 IGBT 來說是成功的，但隨著這些器件的運(yùn)行速度達(dá)到其理論極限，改進(jìn)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(dá)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(shí)間和更高的效率。

半導(dǎo)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(jìn)行導(dǎo)電所需的最小能量（表 1）。

| | 屬性 | GAN | SI | SIC |
| ------------------------------------- | ---------- | ------ | ----- |
| 帶隙 (eV) | 3.4 | 1.12 | 3.3 |
| 歐共體 - 臨界電場(chǎng) (MV/cm) | 3.3 | 0.3 | 3.5 |
| VS - 飽和漂移速度 (x10^7^ cm/s) | 2.5 | 1.0 | 2.0 |
| μ-電子遷移率 (cm2/V S )| 990-2000 | 1500 | 1500 650 | 650

表 1：區(qū)分寬帶隙半導(dǎo)體（如 GaN 和 SiC）與硅半導(dǎo)體的關(guān)鍵屬性摘要。（表格來源：Art Pini）

用寬帶隙半導(dǎo)體制造的器件相比傳統(tǒng)半導(dǎo)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(duì)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(yùn)行。具有較高臨界電場(chǎng)和較高遷移率的寬帶隙半導(dǎo)體具有最低的漏源導(dǎo)通電阻 (R DS(開) )，從而減少了傳導(dǎo)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(fù)合半導(dǎo)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(shí)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(hào)控制，實(shí)現(xiàn)了截止頻率更高的無源濾波器設(shè)計(jì)，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(gè)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(jià)比高。在純 GaN 層生長(zhǎng)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(gè) 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(gè)高度導(dǎo)電的通道。這種過量的電子稱為二維電子氣 (2DEG)。這個(gè)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(gè)耗盡區(qū)。柵極的操作類似于一個(gè) N 溝道、增強(qiáng)模式功率硅 MOSFET。在該器件柵極施加一個(gè)正電壓即可導(dǎo)通。

重復(fù)多次這種結(jié)構(gòu)，即可形成一個(gè)電源器件。最終形成一個(gè)絕對(duì)簡(jiǎn)單、優(yōu)雅的高性價(jià)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(duì)導(dǎo)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(qiáng)模式或耗盡模式。增強(qiáng)模式 FET 是常閉的，因此必須在柵極上施加相對(duì)于漏極/源極的正電壓，以使 FET 導(dǎo)通。耗盡型 FET 是常開的，因此必須施加相對(duì)于漏極/源極的負(fù)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?yàn)樵诮o系統(tǒng)通電之前，必須對(duì)氮化鎵耗盡型 FET 施加負(fù)偏壓。

解決這個(gè)問題的一個(gè)方法是將低壓硅 FET 與耗盡型 GaN FET 組合在一個(gè)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(huì)使硅柵結(jié)構(gòu)的穩(wěn)健性與 GaN 器件的高壓時(shí)鐘特性得到改善，并且使用耗盡型 GaN FET 時(shí)讓復(fù)合器件在上電時(shí)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(diǎn)是與現(xiàn)有的 MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 相匹配的柵極驅(qū)動(dòng)極限更高，而且耗盡型 GaN FET 在上電時(shí)是關(guān)斷的。

GaN FET 的主要特點(diǎn)之一就是其高效率。這是由于：低串聯(lián)電阻降低了傳導(dǎo)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(fù)電荷較少，這也是它們的反向恢復(fù)損耗較低的原因。

使用常見的半橋升壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)鋾r(shí)，可以比較 GaN FET 和 Si MOSFET 的效率差異（圖 3）。

圖 3：圖示為一個(gè)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(gè)相同的電路中，對(duì) GaN FET 和 Si MOSFET 的效率和功率損耗進(jìn)行比較，顯示了 GaN FET 的優(yōu)勢(shì)。（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(shí)，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(cè)量功率幾乎進(jìn)行到了3500 瓦。因此，GaN FET 具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。

用氮化鎵啟動(dòng)高壓器件設(shè)計(jì)

對(duì)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(chǎng)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(shí)的功率耗散為 143 瓦。漏源導(dǎo)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(jì)。

圖 5：使用 GAN063-650WSA GaN FET 的半橋功率級(jí)的推薦設(shè)計(jì)。該原理圖只顯示了 FET 驅(qū)動(dòng)器和半橋輸出級(jí)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(dòng)器，可用于驅(qū)動(dòng) GaN FET 的柵極。該柵極驅(qū)動(dòng)器的輸出通過一個(gè) 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(shí)間，影響動(dòng)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(dòng)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(shí)振蕩。在設(shè)計(jì)中，高壓電源和地之間要設(shè)置多個(gè) 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(shí)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 R 4 、D 1 ，C12和 C13組成的元件網(wǎng)絡(luò)是高壓柵極驅(qū)動(dòng)器的自舉電源。D1應(yīng)該是一個(gè)快速、低容二極管，因?yàn)槠浣Y(jié)電容會(huì)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。

結(jié)語

從電動(dòng)汽車到通信和工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施，人們對(duì)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(chǎng)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(jì)提供了一條出路?，F(xiàn)成即用的元器件，加上某些參考設(shè)計(jì)支持，將幫助設(shè)計(jì)者將項(xiàng)目快速啟動(dòng)并使之運(yùn)轉(zhuǎn)。