簡(jiǎn)要介紹氮化鎵功率器件功能和應(yīng)用

在過(guò)去的十多年里，行業(yè)專家和分析人士一直在預(yù)測(cè)，基于氮化鎵(GaN)功率開(kāi)關(guān)器件的黃金時(shí)期即將到來(lái)。與應(yīng)用廣泛的MOSFET硅功率器件相比，基于GaN的功率器件具有更高的效率和更強(qiáng)的功耗處理能力。這些優(yōu)勢(shì)正是當(dāng)下高功耗高密度系統(tǒng)、服務(wù)器和計(jì)算機(jī)所需要的，可以說(shuō)專家所預(yù)測(cè)的拐點(diǎn)已經(jīng)到來(lái)！

時(shí)下，多個(gè)廠商正在大量的生產(chǎn)GaN器件，這些GaN器件正在被應(yīng)用于工業(yè)、商業(yè)甚至要求極為嚴(yán)格的汽車領(lǐng)域的電力和電機(jī)控制中。他們的接受度和可信度正在逐漸提高。（請(qǐng)注意，基于GaN的射頻功放或功放也取得了很大的成功，但與GaN器件具有不同的應(yīng)用場(chǎng)合，超出了本文的范圍。）本文探討了GaN器件的潛力，GaN和MOSFET器件的不同，GaN驅(qū)動(dòng)器件成功的關(guān)鍵并介紹了減小柵極驅(qū)動(dòng)環(huán)耦合噪聲技術(shù)。

為什么GaN器件得到了發(fā)展？

基于硅的MOSFET器件已經(jīng)取得了巨大的成功，目前，它們已經(jīng)在幾十瓦到幾百瓦甚至上千瓦功率的應(yīng)用場(chǎng)合成為了標(biāo)準(zhǔn)，如AC/DC、DC/DC以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域。硅MOSFET器件已經(jīng)對(duì)多個(gè)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，如通導(dǎo)通阻RDS(ON)、額定電壓、開(kāi)關(guān)速度、封裝等。這些MOSFET性能的提高已經(jīng)趨于穩(wěn)定，因?yàn)槟壳暗男阅芤呀?jīng)接近了物理材料的理論極限。

這給氮化鎵功率器件的發(fā)展創(chuàng)造了條件。GaN是一種高電子遷移率晶體管(HEMT)，如圖1所示。高電子遷移率晶體管意味著GaN器件的臨界電場(chǎng)強(qiáng)度大于硅。對(duì)于相同的片上電阻和擊穿電壓，GaN的尺寸更小。GaN還具有極快的開(kāi)關(guān)速度和優(yōu)異的反向恢復(fù)性能，在低損耗、高效率的應(yīng)用場(chǎng)合這一點(diǎn)十分重要的。600/650V等級(jí)的GaN晶體管現(xiàn)在已經(jīng)廣泛使用，具有廣泛的應(yīng)用前景。

圖1 GaN器件建立在硅襯底上，有一個(gè)二維橫向的電子通道(2DEG)和AlGaN/GaN異位外延結(jié)構(gòu)，提供了極高的電荷密度和遷移率。當(dāng)門級(jí)電壓為零(左圖)時(shí)，晶體管截止，當(dāng)門級(jí)電壓超過(guò)閾值電壓時(shí)(中間和右圖)，晶體管導(dǎo)通。(來(lái)源: GaN Systems)

GaN器件分為兩種類型：

耗盡型：耗盡型GaN晶體管常態(tài)下是導(dǎo)通的，為了使它截止必須在源漏之間加一個(gè)負(fù)電壓。

增強(qiáng)型：增強(qiáng)型GaN晶體管常態(tài)下是截止的，為了使它導(dǎo)通必須在源漏之間加一個(gè)正電壓。

兩種類型的不同，不僅僅在于他們的操作模式不同。對(duì)于耗盡型器件，在應(yīng)用時(shí)需要解決啟動(dòng)問(wèn)題，在啟動(dòng)時(shí)必須首先加一個(gè)負(fù)壓，使器件截止，以避免在啟動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生短路電流。與之相反，增強(qiáng)型器件的常態(tài)是關(guān)閉的，當(dāng)柵極上沒(méi)有偏置電壓時(shí)，源漏之間不會(huì)有電流通過(guò)，這是理想的啟動(dòng)狀態(tài)。為了解決耗盡模式GaN器件的這個(gè)缺點(diǎn)，它們通常被封裝在一個(gè)帶有低電壓的硅MOSFET的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)中，從而避免出現(xiàn)這種情況

GaN與MOSFET

GaN與MOSFET器件有不同之處，也有相同之處。首先來(lái)看看它們的相同之處。雖然GaN的參數(shù)值和MOSFET不同（這也正是GaN具有吸引力的原因），但很多術(shù)語(yǔ)是相同的。比如他們都有源級(jí)、漏級(jí)和柵極，他們的關(guān)鍵參數(shù)都是導(dǎo)通電阻和擊穿電壓。

當(dāng)然，它們的相似之處遠(yuǎn)超這些表層內(nèi)容。MOSFET和增強(qiáng)型GaN常態(tài)下都是關(guān)閉的，并且都是電壓驅(qū)動(dòng)的(不是電流驅(qū)動(dòng))，都有輸入電容，輸入電容必須由驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行充放電。充放電的波形和轉(zhuǎn)換速率都是影響其性能的重要因素。

此外，他們之間的差異也很大，除了明顯的半導(dǎo)體材料和工藝外，還有很多顯著的差異。首先，GaN的導(dǎo)通電阻非常低，這使得靜態(tài)功耗顯著降低，提高了效率。另外，GaN FET的結(jié)構(gòu)使其輸入電容非常低，提高了開(kāi)關(guān)速度。GaN器件可以在納秒內(nèi)電壓上升到幾百伏，支持幾MHz頻率的大電流轉(zhuǎn)換。(最新一代的器件可以應(yīng)用在幾百M(fèi)Hz的場(chǎng)合)。這意味著GaN具有更高的效率，并可以使用更少的電磁學(xué)和被動(dòng)元件。

一個(gè)具有代表性的GaN器件是GaN Systems 的GS66516B——650V增強(qiáng)型GaN功率晶體管，它具有大電流、高電壓擊穿和高的開(kāi)關(guān)頻率(圖2)。該晶體管具有6個(gè)引腳，底部散熱，如圖3，封裝尺寸只有11×9毫米，具有非常低的管殼熱阻，導(dǎo)通電阻僅為25mΩ，最大漏源電流為10A，開(kāi)關(guān)頻率超過(guò)10MHz。

圖2: GaN Systems的GS66516B 650V增強(qiáng)性GaN晶體管，具有6個(gè)引腳，電流提高了兩倍，雜散電感更小。(來(lái)源：GaN Systems)

圖3: GaN Systems的GS66516B 封裝尺寸11x9mm，底部扇熱，可以達(dá)到最優(yōu)的扇熱效果。(來(lái)源: GaN Systems)

驅(qū)動(dòng)是GaN成功的關(guān)鍵

無(wú)論是GaN還是MOSFET，一個(gè)可靠并且合適的驅(qū)動(dòng)是器件可以穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，驅(qū)動(dòng)電路就是低壓、低電流的MCU數(shù)字接口和高壓、高電流、高速度的功耗器件之間的電路。

當(dāng)然，驅(qū)動(dòng)所扮演的角色遠(yuǎn)不止于此。驅(qū)動(dòng)必須能夠以足夠高的速度對(duì)柵極上的電容進(jìn)行充電，使晶體管開(kāi)啟，同時(shí)不會(huì)引起振鈴和過(guò)沖。在關(guān)斷模式下，它必須能夠快速的對(duì)柵極電容進(jìn)行放電，不引起振鈴或過(guò)沖。它必須始終如一的這么做，并且保持恰當(dāng)?shù)?a href="http://wenjunhu.com/tags/時(shí)鐘/" target="_blank">時(shí)鐘傾斜以避免shoot-through短路。

決定GaN驅(qū)動(dòng)器件的主要參數(shù)有三個(gè)：最大柵極電壓，柵極閾值電壓和體二極管壓降。增強(qiáng)型GaN器件的柵源電壓是6V，大約是MOSFET的一半，這簡(jiǎn)化了產(chǎn)生所需開(kāi)關(guān)電壓和電流的挑戰(zhàn)。柵極電壓也比大多數(shù)功率MOSFET低，同時(shí)具有較低的負(fù)溫度系數(shù)，這也簡(jiǎn)化了驅(qū)動(dòng)補(bǔ)償問(wèn)題。體二極管的正向電壓降，是器件結(jié)構(gòu)的固有屬性，GaN器件比同等的硅MOSFET的電壓要高。

通過(guò)一些數(shù)字對(duì)比可以更明顯的看出GaN與MOSFET的區(qū)別。

GaN比硅MOSFET開(kāi)關(guān)速度更快，dV/dt的轉(zhuǎn)換率大于100V/nsec。對(duì)于具有相同RDS(ON)等級(jí)的MOSFET和GaN，GaN的開(kāi)啟時(shí)間比MOSFET快4倍，關(guān)斷時(shí)間快2倍。雖然越快越好，但這也給驅(qū)動(dòng)電路帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。米勒效應(yīng)也同樣影響了晶體管的開(kāi)啟/關(guān)斷速度和波形(你還記得半導(dǎo)體器件物理里面的米勒效應(yīng)嗎)，對(duì)于具有相同RDS(ON)的GaN和MOSFET，GaN的米勒電荷更少，因此GaN可以更快地開(kāi)啟/關(guān)閉，這是一個(gè)優(yōu)勢(shì)。

然而，高的速度可能會(huì)引起在轉(zhuǎn)換過(guò)程中，使橋上的器件組產(chǎn)生shoot-through，從而對(duì)效率產(chǎn)生不利影響。因此，必須控制柵極驅(qū)動(dòng)的上拉電阻，以最大限度地減少傳輸時(shí)間，同時(shí)不改變其他特性，這也提供了一種避免過(guò)沖和振鈴的方法。這可以避免開(kāi)啟/關(guān)閉故障，同時(shí)減小EMI的產(chǎn)生。雖然分析變得十分復(fù)雜(圖4和圖5)，但在閾值電壓較低的GaN器件中，最簡(jiǎn)單的解決方案就是將驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O的上升和下拉電阻分開(kāi)，并在需要時(shí)插入一個(gè)離散的電阻(圖6)。

圖4 一個(gè)GaN需要開(kāi)啟的場(chǎng)景模型。(來(lái)源: GaN Systems)

圖5 一個(gè)GaN需要關(guān)斷的場(chǎng)景模型。(來(lái)源: GaN Systems)

圖6：通過(guò)使用獨(dú)立的柵極驅(qū)動(dòng)電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通和關(guān)斷，每個(gè)階段都可以得到優(yōu)化的性能，同時(shí)改善振鈴、過(guò)沖等不良特性。（來(lái)源：GaN Systems）

簡(jiǎn)言之，一個(gè)不起眼的無(wú)源電阻(或電阻對(duì))成為了成功驅(qū)動(dòng)的關(guān)鍵因素，平衡了相關(guān)的參數(shù)。合適大小的柵極開(kāi)啟/關(guān)閉電阻可以使性能優(yōu)越、驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定，因此推薦使用獨(dú)立的柵極驅(qū)動(dòng)電阻。

為了控制Miller效應(yīng)的影響，這個(gè)電阻一般控制在5到10Ω之間。如果開(kāi)啟柵極電阻太大(如10到20Ω)，開(kāi)啟的dV/dt速度就會(huì)降低，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)速度慢。如果轉(zhuǎn)換速度太慢，會(huì)出現(xiàn)開(kāi)關(guān)損耗，但這一次是由于Miller效應(yīng)和潛在的柵極振蕩導(dǎo)致的。對(duì)于關(guān)斷來(lái)說(shuō)，柵極需要盡快被拉低，因此柵極電阻通常是1和2Ω。

許多廠商都提供了門驅(qū)動(dòng)芯片，這些芯片是十分有價(jià)值的，允許用戶為選定的GaN器件、轉(zhuǎn)換速度和其他因素進(jìn)行調(diào)節(jié)。在這些驅(qū)動(dòng)芯片中，來(lái)自TI的LMG1205可用于增強(qiáng)型GaN FET。它可以在同步的buck、boost或半橋配置中驅(qū)動(dòng)晶體管的高側(cè)或低側(cè)。它為高端和低端提供獨(dú)立的輸入，以獲得最大的控制靈活性；峰值電流1.2A，峰值下降電流為5A以防止在轉(zhuǎn)換期間產(chǎn)生不必要開(kāi)啟。門輸出具有很強(qiáng)的靈活性，可以獨(dú)立調(diào)整開(kāi)啟和關(guān)斷電流。

圖7:TI LMG1205 門級(jí)驅(qū)動(dòng)器的很多特性適用于GaN。(來(lái)源:TI)

輸入電壓兼容TTL電平，并且最大輸入電壓可以高達(dá)14V，而不考慮VDD軌電壓。同時(shí)，在高側(cè)/低側(cè)的應(yīng)用中，低傳播延遲和軌到軌的時(shí)鐘傾斜對(duì)效率也是至關(guān)重要的。LMG1205具有35ns的典型傳播延遲和1.5 ns傳播匹配延遲。

其他可用與GaN驅(qū)動(dòng)的芯片還包括Silicon Labs的Si827x系列，Analog Devices的ADuM4223A/B系列，Maxim的max 5048c和TI的LM5113。此外，現(xiàn)有的、已經(jīng)廣泛使用的部分MOSFET驅(qū)動(dòng)芯片也可以用在一些低頻率的GaN器件中。

成功不只來(lái)自于一個(gè)電路

每一個(gè)擁有高速電路設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的工程師都知道，電路和系統(tǒng)的優(yōu)化僅僅是系統(tǒng)成功的一部分。在GaN器件和電路中，控制和盡量減少?gòu)?a target="_blank">電源到柵極驅(qū)動(dòng)回路的噪聲耦合是至關(guān)重要的。高dV/dt和di/dt，加上低輸入電容和門限值，很容易導(dǎo)致嚴(yán)重的噪聲。米勒效應(yīng)可能導(dǎo)致柵極振鈴或持續(xù)振蕩。其結(jié)果將導(dǎo)致晶體管錯(cuò)誤的開(kāi)啟或關(guān)閉，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)故障。

在許多可能的原因中，柵極振蕩經(jīng)常是由反饋路徑的雜散電感導(dǎo)致的，以及從電源到柵極回路或者通過(guò)柵極和漏極之間的米勒效應(yīng)電容耦合導(dǎo)致的。通常使用多層的方法來(lái)解決這些問(wèn)題。

該技術(shù)包括通過(guò)布局來(lái)減少雜散電感；通過(guò)將門級(jí)驅(qū)動(dòng)盡可能靠近GaN器件柵極來(lái)減小外部柵極到漏極的耦合；采用低電感，寬PCB板走線；使用開(kāi)爾文源連接來(lái)最小化公共源電感；甚至擴(kuò)展到采用電隔離電源軌。其他方法包括調(diào)整柵極驅(qū)動(dòng)電阻值以微調(diào)導(dǎo)通轉(zhuǎn)換速率；使用負(fù)偏壓（-3V）關(guān)斷；與柵極串聯(lián)加入鐵氧體磁珠，以減少高頻LC振鈴和過(guò)沖；并且可可以在柵源路徑上添加RC“緩沖器”。

結(jié)論

基于GaN的開(kāi)關(guān)器件已經(jīng)真正的變得成熟。目前已經(jīng)擁有完善的生態(tài)系統(tǒng)，包括建模和仿真工具，必要的驅(qū)動(dòng)芯片，應(yīng)用支持，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，并且擁有多個(gè)知名供應(yīng)商和初創(chuàng)企業(yè)。這些GaN器件的性能遠(yuǎn)超目前和在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)MOSFET能夠具有的。然而，GaN器件的高速度也意味著在使用時(shí)需要更合理周密的設(shè)計(jì)，如需要更多的考慮他們的柵極驅(qū)動(dòng)，電壓和電流轉(zhuǎn)換速率，電流等級(jí)，噪聲源和耦合布局考慮因素對(duì)導(dǎo)通和關(guān)斷所帶來(lái)的影響。