導(dǎo)入Cascode結(jié)構(gòu)　GaN FET打造高效率開關(guān)

　　為提高高壓電源系統(tǒng)能源效率，半導(dǎo)體業(yè)者無不積極研發(fā)經(jīng)濟型高性能功率場效應(yīng)電晶體（FET）；其中，采用Cascode結(jié)構(gòu)的氮化鎵（GaN）FET，由于導(dǎo)通和開關(guān)損耗極低，且具備比矽FET出色的反向恢復(fù)（Qrr）特性，因而能顯著改善電源系統(tǒng)開關(guān)效率。

　　射頻（RF）應(yīng)用的氮化鎵（GaN）電晶體已面世多年，最近業(yè)界的重點開發(fā)面向為電力電子應(yīng)用的經(jīng)濟型高性能GaN功率電晶體。十幾家半導(dǎo)體公司都在積極開發(fā)幾種不同的方法，以實現(xiàn)GaN功率場效應(yīng)電晶體（FET）商業(yè)化。

　　GaN HEMT模組解析

　　基本的GaN構(gòu)建模組就是高電子遷移率電晶體（HEMT），它由一塊基板上生長的各種GaN層構(gòu)成。矽是首選基板，因為它能夠以極低的成本應(yīng)用到大直徑晶圓中。碳化矽（SiC）或藍寶石之類的替代基板可能更易于生長GaN層，但是這些基板的成本過高，讓商業(yè)化和廣泛應(yīng)用變得完全不切實際。HEMT基本上是一種超高速、常開元件，像通過施加負閘偏壓即可關(guān)閉的電阻。耗盡型（常開）特性對于將其應(yīng)用到傳統(tǒng)電力電子電路拓撲中來說可能是一種挑戰(zhàn)。例如，半橋拓撲如今被廣泛應(yīng)用，如果耗盡型FET被用做上臂、下臂開關(guān)，那么有必要讓閘極控制電路正常運行，從而再為DC匯流排加電前提供負偏壓，因為如果未偏壓，半橋就會短接匯流排。另一種替代方法是將非耗盡型主使能開關(guān)與半橋串聯(lián)，一旦橋接電路的剩余部分可以正常運行了，即可被啟動，但是這樣會增加成本和傳導(dǎo)損耗。

　　另外，還可以調(diào)整GaN HEMT設(shè)計以便將閘臨界電壓由負轉(zhuǎn)正，進而實現(xiàn)常關(guān)的增強型元件。增強型GaN HEMT可在低、中壓范圍（高達200V）使用，很快就可以達到更高電壓（600V）。然而，就當今的技術(shù)而言，由于面臨閘極驅(qū)動設(shè)計挑戰(zhàn)，所以必須平衡增強型元件的便利性、性能和穩(wěn)定性，增強型GaN HEMT的臨界值電壓較低，而且可以完全導(dǎo)通的增強型VGS和絕對最大額定值的VGS通常只差1V。鑒于GaN HEMT的開關(guān)速度極快，促使從漏極耦合到閘極的C dv/dt造成閘極驅(qū)動電路很容易受到「閘極反彈」電壓的影響。盡管如此，增強型GaN HEMT仍然具有誘人優(yōu)勢，并且將來的產(chǎn)品設(shè)計毫無疑問會越來越好。

　　Cascode結(jié)構(gòu)拓展電壓范圍

　　GaN HEMT和低壓（20？40V）矽FET的Cascode連接如圖1所示，Cascode就像工作電壓范圍被GaN HEMT擴展了的低壓矽FET。GaN HEMT與矽FET的漏極相連，將電壓范圍擴展到600V之高。因為HEMT的閘極與矽FET的源極相連，所以矽FET的VDS就成了GaN HEMT的負VGS，從而自動提供必要的負偏壓以實現(xiàn)關(guān)斷操作。該結(jié)構(gòu)有助于緩解任何閘極驅(qū)動問題，因為被驅(qū)動的閘極實際上是低壓矽FET。雖然仍然存在同樣的高開關(guān)速度「閘極反彈」問題，但Cascode矽FET的臨界值電壓和最高閘值電壓都比增強型HEMT高得多，進而降低這些問題對它的影響。雖然開爾文（Kelvin）源極引腳和主源極的電路節(jié)點相連，但它的電流通路不同，也不與主漏極電流共用，因此消除了「共源電感」，進而減少了寄生L di/dt引起的閘極驅(qū)動器介面問題。

　　圖1 GaN HEMT和低壓矽FET的cascode連接示意圖

　　體二極體特性

　　Cascode GaN FET具有出色的體二極體行為。這是600V GaN Cascode開關(guān)的主要特性和優(yōu)勢之一：與絕緣閘雙極性電晶體（IGBT）、Super-junction FET或其他矽FET相比，GaN Cascode的反向恢復(fù)電荷（Qrr）要出色得多（與SiC肖特基二極體相似）。隨著溫度的變化，測量的Qrr幾乎是平直的，而溫度升高時矽FET的Qrr會增加二至三倍。原因在于，在給定的Rds（on）下，20？40V FET的Qrr比600V FET低幾個數(shù)量級。HEMT沒有少數(shù)載流子，因此增加了電容，但是不會增加反向恢復(fù)電荷。因此，Cascode提供了25V矽FET的低Qrr性能，卻將電壓范圍擴展到了600V。GaN Cascode與IGBT二極體和Super-junction FET的Qrr比，分別高約二十倍和兩百倍。

　　低Qrr意義重大，因為體二極體性能通常是硬開關(guān)應(yīng)用的制約因素，600V GaN Cascode的傳導(dǎo)損耗低于IGBT，反向恢復(fù)電荷低于常與IGBT一起使用的超高速二極體。這樣就能夠在高得多的頻率下采用半橋拓撲，從而改善傳導(dǎo)和開關(guān)損耗，而且它的振蕩和過沖也比矽的元件低。

　　即使對于LLC諧振轉(zhuǎn)換器這樣的軟開關(guān)拓撲，GaN Cascode的死區(qū)時間也比矽Super-junction FET低，因為其總輸出電荷（Qoss）比具有相同Rds（on）的FET低三倍。即使LLC拓撲是ZVS，在通道反向傳導(dǎo)之前仍然存在著續(xù)流二極體，因此Super-junction結(jié)構(gòu)的長反向恢復(fù)時間極有可能限制死區(qū)時間的降幅。

　　Super-junction Qoss的極端非線性特征，一般需要幾百奈秒（ns）來充電，而且一旦充電，會瞬間出現(xiàn)很高的dv/dt漏極的電壓。與Super-junction相比，具有相同Rds（on）的GaN級聯(lián)FET的充電速度快二至三倍，dv/dt也好得多。因此，與對應(yīng)的Super-junction相比，GaN Cascode能夠在不增加損耗的情況下實現(xiàn)LLC轉(zhuǎn)換器的高工作頻率。

　?。跕B］元件電容與電荷［@C］ 元件電容與電荷

　　對于硬開關(guān)拓撲，F(xiàn)ET輸出電荷Qoss每個周期都會被耗盡，所以Qoss是頻率相關(guān)開關(guān)損耗的要素之一。因此，F(xiàn)ET的普通開關(guān)損耗指標就是RDS（on）×Qoss，換句話說，就是在給定的RDS（on）下每個周期損耗了多少輸出電容相關(guān)電荷。GaN Cascode開關(guān)比當今最好的Super-junction FET還好三倍，將來這一數(shù)值還會繼續(xù)改進。

　　Qoss和Qrr有時容易被混淆。雖然這些參數(shù)是在不同條件下分別測量的，但是存在著一定的重疊，從而掩蓋了GaN Cascode這類技術(shù)的真正優(yōu)勢。反向恢復(fù)電荷Qrr是利用專用半橋電路（亦即雙脈沖測試儀）進行測量的：在上臂FET內(nèi)建立其體二極體正向電流，然后打開下臂FET，從而迫使上臂體二極體內(nèi)發(fā)生反向恢復(fù)事件。隨著時間的流逝，測量電流，然后合并總反向傳導(dǎo)區(qū)域，得到電荷測量值Qrr。但是設(shè)想有一個帶有一定電容的理想二極體，然后按下面這種方法進行評估：電容放電所需的電流是負電流，對其進行合并并稱之為Qrr，但是它不是真正的反向恢復(fù)電荷（理想二極體沒有反向恢復(fù)電荷），它只是電容電荷。重點在于傳統(tǒng)Qrr測量將真正的Qrr和Qoss混為一談并稱之為Qrr。這一點很重要，因為不同的拓撲對真正的Qrr較敏感，而對Qoss則不那么敏感。例如，軟開關(guān)拓撲可能會將Qoss整合到整個諧振電路中去，讓它變得基本上無損耗。但是與真正的Qrr相關(guān)的二極體復(fù)合時間造成的延遲和反向電流會產(chǎn)生功率損耗。結(jié)論就是，單看資料手冊中的參數(shù)或簡單的指標無法知悉全部情況。每款元件都須要仔細評估，進而了解其應(yīng)用電路的真正損耗。

　　閘電荷是另一個GaN Cascode優(yōu)于替代矽FET的參數(shù)。再一次通過比較相同條件下的Rds（on）×Qg規(guī)范化為Rds（on），GaN Cascode的閘電荷低了八倍。由于每個開關(guān)周期閘電荷在充電和放電期間都會被閘極驅(qū)動電路全部耗盡，所以Qg降低會直接降低閘極驅(qū)動電路的損耗，進而提升總效率，特別是在高頻下。

　　GaN FET優(yōu)勢多商用可期

　　電力電子常用的拓撲隨著半導(dǎo)體的發(fā)展而不斷變化。GaN實現(xiàn)了那些需要低Rds（on）和出色的體二極體行為的拓撲，從而將應(yīng)用領(lǐng)域擴展到傳統(tǒng)FET無法充分發(fā)揮作用的領(lǐng)域，例如無橋升壓PFC和相移全橋轉(zhuǎn)換器之類的高頻、高效拓撲，甚至電機驅(qū)動應(yīng)用也能受益，盡管它們的開關(guān)頻率通常較低。GaN Cascode FET的傳導(dǎo)損耗低于IGBT，特別是在輕負載下，適于壓縮機和大多數(shù)時間在10？20%負載下運行的其他應(yīng)用。GaN還可以在同步整流器模式下運行，從而降低二極體傳導(dǎo)損耗（與IGBT相比）。此外，相比于任何矽FET，即使是快速恢復(fù)外延二極體場效應(yīng)電晶體（FREDFET），GaN Cascode的反向恢復(fù)特性也較出色，從而縮短硬開關(guān)條件下的轉(zhuǎn)換時間，無須增加傳導(dǎo)電磁干擾（EMI）即可降低開關(guān)損耗。

　　歸根究底，體二極體行為限制所有600V開關(guān)選項的性能，因為通常須在開關(guān)速度以及反向恢復(fù)的di/dt與dv/dt特性造成的EMI之間進行折中；換言之，必須降低矽FET的速度（這將提高開關(guān)損耗）方能消除傳導(dǎo)EMI。第一代GaN FET現(xiàn)已實現(xiàn)商業(yè)化，與當今最好的矽FET相比其有了明顯改善。