GaN功率器件的特點(diǎn)及應(yīng)用

硅功率MOSFET為電路設(shè)計(jì)人員提供了許多優(yōu)勢(shì)，使其成為許多應(yīng)用中的明顯選擇。它提供高開(kāi)關(guān)速度和低導(dǎo)通電阻，與之前的雙極晶體管不同，MOSFET不會(huì)受到熱失控的影響。制造技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展使得可以使用垂直配置，并聯(lián)多個(gè)晶體管的設(shè)備，進(jìn)一步降低了導(dǎo)通電阻。

在幾十年的時(shí)間里，制造商對(duì)基本設(shè)計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)置導(dǎo)通電阻和擊穿電壓的新標(biāo)準(zhǔn)。然而，這些參數(shù)通常需要在MOSFET設(shè)計(jì)中相互折衷。增加擊穿電壓的技術(shù)往往會(huì)推高導(dǎo)通電阻。因此，諸如絕緣柵雙極晶體管（IGBT）等競(jìng)爭(zhēng)器件已經(jīng)取得了進(jìn)展，其應(yīng)用需要比MOSFET更高的擊穿電壓額定值。

一種選擇是更換材料。氮化鎵（GaN）和碳化硅是硅的潛在替代品，由于這些材料具有更高的帶隙，因此可以在不影響導(dǎo)通電阻的情況下支持擊穿電壓的大幅增加，如圖1所示。

圖1：硅，SiC和GaN的導(dǎo)通電阻與擊穿電壓關(guān)系圖，顯示最近推出的GaN晶體管。

SiC和GaN的臨界電場(chǎng)強(qiáng)度均高于硅，給予它們導(dǎo)通電阻和擊穿電壓之間的優(yōu)越關(guān)系。這使得器件可以做得更小，并且電氣端子可以在給定的擊穿電壓要求下更緊密地聯(lián)系在一起。如果不是作為硅的替代品，GaN已經(jīng)顯示出前景，那么作為擴(kuò)展功率MOSFET的范圍的一種方式新的和苛刻的應(yīng)用。 GaN器件是高電子遷移率晶體管（HEMT），其提供比硅和SiC器件更高的電子速度。高遷移率源于二維電子氣在組分材料之間的界面處形成的方式。這種氣體中的載流子比硅等材料更自由地移動(dòng)。因此，GaN晶體管更適合用于高頻功率開(kāi)關(guān)電路，可以提供更高的效率，同時(shí)減少電容器和電感器所需的電路板空間。此外，GaN器件能夠在高溫條件下工作對(duì)硅器件有挑戰(zhàn)性。 GaN晶體管的高溫操作可以減少硅基電力電子設(shè)備可能需要的散熱器和冷卻風(fēng)扇的尺寸，從而可以進(jìn)一步縮小電力電子設(shè)備的體積和重量，超出簡(jiǎn)單移動(dòng)的范圍更高頻率的交換架構(gòu)。

由于具有較高的臨界場(chǎng)強(qiáng)，因此對(duì)于給定的擊穿電壓和電流額定值，GaN基器件可以比其硅對(duì)應(yīng)物更小。器件和電路尺寸的組合以及較少的冷卻支持可以減小整體尺寸和重量，這在運(yùn)輸和國(guó)防應(yīng)用中非常重要。這些應(yīng)用是關(guān)鍵參數(shù)。最初，GaN功率器件是在藍(lán)寶石襯底上構(gòu)建的。主要是耗盡型器件，這使它們?cè)诤艽蟪潭壬喜贿m合電源應(yīng)用。出于安全性和可靠性的原因，電源開(kāi)關(guān)設(shè)備應(yīng)設(shè)計(jì)成通常關(guān)閉。 GaN MOSFET正在出現(xiàn)，提供增強(qiáng)型，常關(guān)操作。

與此同時(shí)，硅正在成為GaN的有效基板，具有成本更低和與現(xiàn)有硅供應(yīng)鏈兼容的優(yōu)勢(shì)。高效電源轉(zhuǎn)換（EPC）等供應(yīng)商已通過(guò)增強(qiáng)型晶體管進(jìn)入市場(chǎng)。盡管目前市場(chǎng)上采用商用GaN-on-silicon晶體管的廠商數(shù)量很少，但國(guó)際整流器公司等公司計(jì)劃在2014年推出產(chǎn)品。

圖2：橫截面增強(qiáng)型GaN晶體管的問(wèn)題。即使在其發(fā)展的早期階段，硅基GaN也已經(jīng)能夠勝過(guò)硅MOSFET。圖1不僅顯示了GaN在擊穿電壓與導(dǎo)通電阻方面的理論性能，兩者都很容易超過(guò)硅的能力，而且兩個(gè)來(lái)自EPC的GaN器件已經(jīng)超出了圖中的硅線。其他優(yōu)勢(shì)包括低柵極漏電流和材料的大導(dǎo)帶偏移（3.6 eV），使得所得晶體管不易受熱電子和其他可能降低可靠性的因素的影響。

作為增強(qiáng)型器件，GaN晶體管表現(xiàn)為與硅功率MOSFET類似的方式。正柵極 - 源極電壓差吸引電子進(jìn)入溝道，以在源極和漏極之間形成雙向溝道。當(dāng)電子匯集在二維氣體中時(shí)，導(dǎo)電通道的總電阻非常低。然而，如果從柵極移除電壓，則其下方的電子分散，移除導(dǎo)電溝道并關(guān)閉器件。

為了實(shí)現(xiàn)高擊穿電壓，需要增加漏極和柵極之間的距離。然而，由于電子氣的存在，這對(duì)電阻的影響不如硅器件那么大。

與大多數(shù)采用垂直通孔溝道結(jié)構(gòu)的硅功率MOSFET相比， GaN晶體管結(jié)構(gòu)是橫向的，類似于邏輯MOSFET的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)為晶體管提供了低柵極電荷，這進(jìn)一步提高了品質(zhì)因數(shù)（FoM）和非常高性能的開(kāi)關(guān)，很好地進(jìn)入了傳統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的兆赫范圍。這將導(dǎo)致更小的功率轉(zhuǎn)換器和其他電路（如數(shù)字音頻放大器）的更高性能橫向GaN結(jié)構(gòu)的另一個(gè)好處是導(dǎo)電器件中不涉及少數(shù)載流子。因此，沒(méi)有反向恢復(fù)損耗往往會(huì)限制硅器件的開(kāi)關(guān)頻率。

雖然GaN器件的性能非常好，但設(shè)計(jì)人員在使用時(shí)需要牢記這些因素。高頻率切換為電源控制拓?fù)涮峁┝诵碌臋C(jī)會(huì)，但要實(shí)現(xiàn)高性能和低損耗，需要特別注意布局和支持電路設(shè)計(jì)。

GaN功率器件需要相對(duì)較低的電壓才能工作。通過(guò)柵極和源極之間的5V電壓實(shí)現(xiàn)器件通道的完全增強(qiáng)。但是，重要的是不要過(guò)度驅(qū)動(dòng)門(mén);柵極驅(qū)動(dòng)電平不應(yīng)超過(guò)典型GaN器件的6 V最大額定值，以避免對(duì)其結(jié)構(gòu)造成潛在損壞。這需要比通常使用松散調(diào)節(jié)的基于變壓器的結(jié)構(gòu)的硅器件更嚴(yán)格的電壓控制。

變壓器和電感器等器件的柵極電路中的過(guò)大電感可以輕松驅(qū)動(dòng)電壓超過(guò)5 V短期。隨著柵極電感的增加，電壓振鈴變得更強(qiáng)，從而驅(qū)動(dòng)可能損壞柵極結(jié)構(gòu)的峰值電壓。

可以使用多種技術(shù)來(lái)降低電感。一種是使用穩(wěn)壓器結(jié)構(gòu)，例如低壓差（LDO）器件來(lái)為柵極驅(qū)動(dòng)提供電源。 PCB技術(shù)可用于限制電感，例如確保將驅(qū)動(dòng)器放置在靠近待驅(qū)動(dòng)器件的位置，并確保引線長(zhǎng)度保持小于1 cm。用于高速運(yùn)行的驅(qū)動(dòng)器上的小外形封裝將有助于限制引線電感。柵極驅(qū)動(dòng)和返回線可以使用帶狀線技術(shù)相互疊加，以減少環(huán)路電感。

制造商不建議使用齊納二極管作為電壓限制器，因?yàn)樗鼈兙哂邢喈?dāng)大的電容，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)速度變慢GaN晶體管，消除了GaN材料的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)之一。然而，由于漏極處的高dV/dt擺幅，GaN的非?？斓拈_(kāi)關(guān)特性引入了進(jìn)一步的電路影響。由于米勒電容，高電平的dV/dt會(huì)導(dǎo)致高電流流動(dòng)在閘門(mén)和排水管之間。在半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，具有相對(duì)較高導(dǎo)通電阻的小型驅(qū)動(dòng)器可能會(huì)導(dǎo)致低端器件意外接通。這種現(xiàn)象會(huì)增加直通電流的風(fēng)險(xiǎn)，并且隨之而來(lái)的是浪費(fèi)能量的增加，這將削弱GaN開(kāi)關(guān)可能帶來(lái)的潛在效率增益。因此，驅(qū)動(dòng)器的選擇不僅受電流和開(kāi)關(guān)時(shí)間要求的控制，而且還需要為大dV/dt瞬態(tài)產(chǎn)生的雜散電流提供低阻抗路徑。

德州儀器（TI）的LM5113半橋驅(qū)動(dòng)器和LM5114低側(cè)驅(qū)動(dòng)器旨在解決諸如過(guò)驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O和限制瞬態(tài)影響等問(wèn)題。通過(guò)集成GaN柵極驅(qū)動(dòng)器功能，器件可以通過(guò)考慮功率晶體管的需求來(lái)節(jié)省電路板空間并簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。

圖3：TI LM5113柵極驅(qū)動(dòng)器的框圖。

LM5113采用專門(mén)技術(shù)將高端電壓調(diào)節(jié)在5.25 V左右，并確保不超過(guò)6 V的最大柵源電壓。此外，LM5113具有低阻抗下拉路徑，限制為0.5Ω，可防止高dV/dt事件導(dǎo)致的不良導(dǎo)通事件，以及快速關(guān)斷路徑。

橋式驅(qū)動(dòng)器具有獨(dú)立的漏極和源極輸出，可提供導(dǎo)通強(qiáng)度與關(guān)斷強(qiáng)度方面的靈活性，并且無(wú)需在驅(qū)動(dòng)器路徑中使用二極管。

LM5114具有7.6 A的驅(qū)動(dòng)電流，適用于使用更大FET的高功率應(yīng)用，或并聯(lián)使用的多個(gè)功率器件。雖然硅上GaN只是剛剛開(kāi)始進(jìn)入市場(chǎng)，但市場(chǎng)上的產(chǎn)品允許工程師利用其優(yōu)勢(shì)。使用離散控制或使用TI制造的專用支持設(shè)備組合材料。