為何及如何將氮化鎵場效應晶體管用于高效、高電壓、開關模式電源應用

作者：Art Pini

投稿人：DigiKey 北美編輯

面對社會和監管要求，電源效率一直是電子系統的優先事項。特別是對于從電動汽車 (EV) 到高壓通信和工業基礎設施的應用，電源轉換效率和功率密度是設計成功的關鍵。

為了滿足這些要求，開關模式電源系統的設計者需要從使用傳統的硅 (Si) 基金屬氧化物場效應晶體管 (MOSFET) 和絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 轉為使用其它器件，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晶體管 (GaN FET) 的基本原理，展示其在開關模式電源電路中相對于傳統硅器件的優勢，介紹 [Nexperia]的實際案例，并對其應用進行了討論。

GaN FET 基礎知識

電源轉換電路的基本元件是高壓半導體開關。設計人員一直專注于通過以下方式提高這些器件的性能：通過減少導通狀態下的串聯電阻來減少傳導損耗，通過提高轉換速度來減少開關損耗，以及減少寄生效應等?？偟膩碚f，這些設計工作對硅 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）器件已經推出，并達到了批量生產的程度。這些器件提供了更高的工作電壓范圍、更快的開關時間和更高的效率。

半導體的帶隙是激發電子使之從束縛狀態釋放到自由狀態以進行導電所需的最小能量（表 1）。

| | 屬性 | GAN | SI | SIC |
| ------------------------------------- | ---------- | ------ | ----- |
| 帶隙 (eV) | 3.4 | 1.12 | 3.3 |
| 歐共體 - 臨界電場 (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：區分寬帶隙半導體（如 GaN 和 SiC）與硅半導體的關鍵屬性摘要。（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 (R DS(開) )，從而減少了傳導損耗。

大多數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、高頻率應用。GaN 功率 FET 實現了更快的開關速度和更高的工作頻率，從而改善了信號控制，實現了截止頻率更高的無源濾波器設計，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 結構的一個功能（圖 1）。

圖 1：基于硅基底的 GaN FET 橫截面圖。（圖片來源：Nexperia）

GaN FET 利用的是現有的硅 CMOS 生產設施，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。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。

重復多次這種結構，即可形成一個電源器件。最終形成一個絕對簡單、優雅的高性價比電源開關解決方案。

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斷 FET。耗盡型 FET 在電源系統中是有問題的，因為在給系統通電之前，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，會使硅柵結構的穩健性與 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斷。（圖片來源：Nexperia）

該共源共柵放大電路采用了 Si MOSFET 柵極結構，其優點是與現有的 MOSFET 柵極驅動器 IC 相匹配的柵極驅動極限更高，而且耗盡型 GaN FET 在上電時是關斷的。

GaN FET 的主要特點之一就是其高效率。這是由于：低串聯電阻降低了傳導損耗；它們的開關速度較快，降低了開關損耗；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）

升壓轉換器的輸入電壓為 240 伏，輸出電壓為 400 伏，開關頻率為 100 千赫 (kHz)。在最高 3500 瓦的功率范圍內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。這意味著冷卻系統可以更小，從而提高升壓轉換器的體積效率。

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 具有絕對優勢。

用氮化鎵啟動高壓器件設計

對于更高的電壓應用，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（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 參考設計。

圖 5：使用 GAN063-650WSA GaN FET 的半橋功率級的推薦設計。該原理圖只顯示了 FET 驅動器和半橋輸出級以及相關元件。（圖片來源：Nexperia）

該原理圖顯示了 Si8230 高/低雙隔離柵極驅動器，可用于驅動 GaN FET 的柵極。該柵極驅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，影響動態開關性能。FET 漏極和源極之間的 R-C 網絡也有助于控制開關性能。GaN FET 的柵極驅動電平在 0 和 10 至 12 伏之間。

GaN FET 的高開關速度（通常在 10 至 11 納秒 (ns) 范圍內）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。在設計中，高壓電源和地之間要設置多個 RC 吸收電路（R17 至 19 和 C33 至 35）。吸收電路減少了因 GaN FET 和旁路網絡的相互作用引起的瞬時振蕩。吸收電路連接應盡可能靠近高壓側 FET 的漏極。它們采用表面貼裝電阻器和低有效串聯電阻 (ESR) 陶瓷電容器，以盡量減少引線電感。

由 R 4 、D 1 ，C12和 C13組成的元件網絡是高壓柵極驅動器的自舉電源。D1應該是一個快速、低容二極管，因為其結電容會造成開關損耗。R4限制浪涌充電電流；數值在 10 至 15Ω 之間效果為佳。

結語

從電動汽車到通信和工業基礎設施，人們對更高電力轉換效率和更高功率密度的需求不斷增加，這就要求從傳統硅結構器件轉而使用其他材料器件。綜上所述，氮化鎵場效應晶體管 (GaN FET) 通過提供更高的工作電壓、更快的開關速度和更高的效率，為下一代設計提供了一條出路?，F成即用的元器件，加上某些參考設計支持，將幫助設計者將項目快速啟動并使之運轉。