簡要介紹氮化鎵功率器件功能和應用

在過去的十多年里，行業專家和分析人士一直在預測，基于氮化鎵(GaN)功率開關器件的黃金時期即將到來。與應用廣泛的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的功耗處理能力。這些優勢正是當下高功耗高密度系統、服務器和計算機所需要的，可以說專家所預測的拐點已經到來！

時下，多個廠商正在大量的生產GaN器件，這些GaN器件正在被應用于工業、商業甚至要求極為嚴格的汽車領域的電力和電機控制中。他們的接受度和可信度正在逐漸提高。（請注意，基于GaN的射頻功放或功放也取得了很大的成功，但與GaN器件具有不同的應用場合，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驅動器件成功的關鍵并介紹了減小柵極驅動環耦合噪聲技術。

為什么GaN器件得到了發展？

基于硅的MOSFET器件已經取得了巨大的成功，目前，它們已經在幾十瓦到幾百瓦甚至上千瓦功率的應用場合成為了標準，如AC/DC、DC/DC以及電機驅動等領域。硅MOSFET器件已經對多個參數進行了優化，如通導通阻RDS(ON)、額定電壓、開關速度、封裝等。這些MOSFET性能的提高已經趨于穩定，因為目前的性能已經接近了物理材料的理論極限。

這給氮化鎵功率器件的發展創造了條件。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器件的臨界電場強度大于硅。對于相同的片上電阻和擊穿電壓，GaN的尺寸更小。GaN還具有極快的開關速度和優異的反向恢復性能，在低損耗、高效率的應用場合這一點十分重要的。600/650V等級的GaN晶體管現在已經廣泛使用，具有廣泛的應用前景。

圖1 GaN器件建立在硅襯底上，有一個二維橫向的電子通道(2DEG)和AlGaN/GaN異位外延結構，提供了極高的電荷密度和遷移率。當門級電壓為零(左圖)時，晶體管截止，當門級電壓超過閾值電壓時(中間和右圖)，晶體管導通。(來源: GaN Systems)

GaN器件分為兩種類型：

耗盡型：耗盡型GaN晶體管常態下是導通的，為了使它截止必須在源漏之間加一個負電壓。

增強型：增強型GaN晶體管常態下是截止的，為了使它導通必須在源漏之間加一個正電壓。

兩種類型的不同，不僅僅在于他們的操作模式不同。對于耗盡型器件，在應用時需要解決啟動問題，在啟動時必須首先加一個負壓，使器件截止，以避免在啟動過程中產生短路電流。與之相反，增強型器件的常態是關閉的，當柵極上沒有偏置電壓時，源漏之間不會有電流通過，這是理想的啟動狀態。為了解決耗盡模式GaN器件的這個缺點，它們通常被封裝在一個帶有低電壓的硅MOSFET的級聯結構中，從而避免出現這種情況

GaN與MOSFET

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

當然，它們的相似之處遠超這些表層內容。MOSFET和增強型GaN常態下都是關閉的，并且都是電壓驅動的(不是電流驅動)，都有輸入電容，輸入電容必須由驅動電路進行充放電。充放電的波形和轉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，除了明顯的半導體材料和工藝外，還有很多顯著的差異。首先，GaN的導通電阻非常低，這使得靜態功耗顯著降低，提高了效率。另外，GaN FET的結構使其輸入電容非常低，提高了開關速度。GaN器件可以在納秒內電壓上升到幾百伏，支持幾MHz頻率的大電流轉換。(最新一代的器件可以應用在幾百MHz的場合)。這意味著GaN具有更高的效率，并可以使用更少的電磁學和被動元件。

一個具有代表性的GaN器件是GaN Systems 的GS66516B——650V增強型GaN功率晶體管，它具有大電流、高電壓擊穿和高的開關頻率(圖2)。該晶體管具有6個引腳，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，導通電阻僅為25mΩ，最大漏源電流為10A，開關頻率超過10MHz。

圖2: GaN Systems的GS66516B 650V增強性GaN晶體管，具有6個引腳，電流提高了兩倍，雜散電感更小。(來源：GaN Systems)

圖3: GaN Systems的GS66516B 封裝尺寸11x9mm，底部扇熱，可以達到最優的扇熱效果。(來源: GaN Systems)

驅動是GaN成功的關鍵

無論是GaN還是MOSFET，一個可靠并且合適的驅動是器件可以穩定運行的關鍵。簡單來說，驅動電路就是低壓、低電流的MCU數字接口和高壓、高電流、高速度的功耗器件之間的電路。

當然，驅動所扮演的角色遠不止于此。驅動必須能夠以足夠高的速度對柵極上的電容進行充電，使晶體管開啟，同時不會引起振鈴和過沖。在關斷模式下，它必須能夠快速的對柵極電容進行放電，不引起振鈴或過沖。它必須始終如一的這么做，并且保持恰當的時鐘傾斜以避免shoot-through短路。

決定GaN驅動器件的主要參數有三個：最大柵極電壓，柵極閾值電壓和體二極管壓降。增強型GaN器件的柵源電壓是6V，大約是MOSFET的一半，這簡化了產生所需開關電壓和電流的挑戰。柵極電壓也比大多數功率MOSFET低，同時具有較低的負溫度系數，這也簡化了驅動補償問題。體二極管的正向電壓降，是器件結構的固有屬性，GaN器件比同等的硅MOSFET的電壓要高。

通過一些數字對比可以更明顯的看出GaN與MOSFET的區別。

GaN比硅MOSFET開關速度更快，dV/dt的轉換率大于100V/nsec。對于具有相同RDS(ON)等級的MOSFET和GaN，GaN的開啟時間比MOSFET快4倍，關斷時間快2倍。雖然越快越好，但這也給驅動電路帶來了新的挑戰。米勒效應也同樣影響了晶體管的開啟/關斷速度和波形(你還記得半導體器件物理里面的米勒效應嗎)，對于具有相同RDS(ON)的GaN和MOSFET，GaN的米勒電荷更少，因此GaN可以更快地開啟/關閉，這是一個優勢。

然而，高的速度可能會引起在轉換過程中，使橋上的器件組產生shoot-through，從而對效率產生不利影響。因此，必須控制柵極驅動的上拉電阻，以最大限度地減少傳輸時間，同時不改變其他特性，這也提供了一種避免過沖和振鈴的方法。這可以避免開啟/關閉故障，同時減小EMI的產生。雖然分析變得十分復雜(圖4和圖5)，但在閾值電壓較低的GaN器件中，最簡單的解決方案就是將驅動柵極的上升和下拉電阻分開，并在需要時插入一個離散的電阻(圖6)。

圖4 一個GaN需要開啟的場景模型。(來源: GaN Systems)

圖5 一個GaN需要關斷的場景模型。(來源: GaN Systems)

圖6：通過使用獨立的柵極驅動電阻來實現導通和關斷，每個階段都可以得到優化的性能，同時改善振鈴、過沖等不良特性。（來源：GaN Systems）

簡言之，一個不起眼的無源電阻(或電阻對)成為了成功驅動的關鍵因素，平衡了相關的參數。合適大小的柵極開啟/關閉電阻可以使性能優越、驅動穩定，因此推薦使用獨立的柵極驅動電阻。

為了控制Miller效應的影響，這個電阻一般控制在5到10Ω之間。如果開啟柵極電阻太大(如10到20Ω)，開啟的dV/dt速度就會降低，導致開關速度慢。如果轉換速度太慢，會出現開關損耗，但這一次是由于Miller效應和潛在的柵極振蕩導致的。對于關斷來說，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動芯片，這些芯片是十分有價值的，允許用戶為選定的GaN器件、轉換速度和其他因素進行調節。在這些驅動芯片中，來自TI的LMG1205可用于增強型GaN FET。它可以在同步的buck、boost或半橋配置中驅動晶體管的高側或低側。它為高端和低端提供獨立的輸入，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以防止在轉換期間產生不必要開啟。門輸出具有很強的靈活性，可以獨立調整開啟和關斷電流。

圖7:TI LMG1205 門級驅動器的很多特性適用于GaN。(來源:TI)

輸入電壓兼容TTL電平，并且最大輸入電壓可以高達14V，而不考慮VDD軌電壓。同時，在高側/低側的應用中，低傳播延遲和軌到軌的時鐘傾斜對效率也是至關重要的。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驅動的芯片還包括Silicon Labs的Si827x系列，Analog Devices的ADuM4223A/B系列，Maxim的max 5048c和TI的LM5113。此外，現有的、已經廣泛使用的部分MOSFET驅動芯片也可以用在一些低頻率的GaN器件中。

成功不只來自于一個電路

每一個擁有高速電路設計經驗的工程師都知道，電路和系統的優化僅僅是系統成功的一部分。在GaN器件和電路中，控制和盡量減少從電源到柵極驅動回路的噪聲耦合是至關重要的。高dV/dt和di/dt，加上低輸入電容和門限值，很容易導致嚴重的噪聲。米勒效應可能導致柵極振鈴或持續振蕩。其結果將導致晶體管錯誤的開啟或關閉，導致整個系統故障。

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

該技術包括通過布局來減少雜散電感；通過將門級驅動盡可能靠近GaN器件柵極來減小外部柵極到漏極的耦合；采用低電感，寬PCB板走線；使用開爾文源連接來最小化公共源電感；甚至擴展到采用電隔離電源軌。其他方法包括調整柵極驅動電阻值以微調導通轉換速率；使用負偏壓（-3V）關斷；與柵極串聯加入鐵氧體磁珠，以減少高頻LC振鈴和過沖；并且可可以在柵源路徑上添加RC“緩沖器”。

結論

基于GaN的開關器件已經真正的變得成熟。目前已經擁有完善的生態系統，包括建模和仿真工具，必要的驅動芯片，應用支持，現場應用經驗，并且擁有多個知名供應商和初創企業。這些GaN器件的性能遠超目前和在可預見的未來MOSFET能夠具有的。然而，GaN器件的高速度也意味著在使用時需要更合理周密的設計，如需要更多的考慮他們的柵極驅動，電壓和電流轉換速率，電流等級，噪聲源和耦合布局考慮因素對導通和關斷所帶來的影響。