氮化鎵(GaN)是一種新興的半導體工藝技術(shù)，提供超越硅的多種優(yōu)勢，被稱為第三代半導體材料，用于電源系統(tǒng)的設計如功率因數(shù)校正(PFC)、軟開關(guān)DC-DC、各種終端應用如電源適配器、光伏逆變器或太陽能逆變器、服務器及通信電源等，可實現(xiàn)硅器件難以達到的更高電源轉(zhuǎn)換效率和更高的功率密度水平，為開關(guān)電源和其它在能效及功率密度至關(guān)重要的應用帶來性能飛躍。
GaN的優(yōu)勢
從表1可見，GaN具備出色的擊穿能力、更高的電子密度及速度，和更高的工作溫度。GaN提供高電子遷移率，這意味著開關(guān)過程的反向恢復時間可忽略不計，因而表現(xiàn)出低損耗并提供高開關(guān)頻率，而低損耗加上寬帶寬器件的高結(jié)溫特性，可降低散熱量，高開關(guān)頻率可減少濾波器和無源器件如變壓器、電容、電感等的使用，最終減小系統(tǒng)尺寸和重量，提升功率密度，有助于設計人員實現(xiàn)緊湊的高能效電源方案。同為寬帶寬器件，GaN比SiC的成本更低，更易于商業(yè)化和具備廣泛采用的潛力。
表1：半導體材料關(guān)鍵特性一覽
安森美半導體與Transphorm聯(lián)合推出第一代Cascode GaN
GaN在電源應用已證明能提供優(yōu)于硅基器件的重要性能優(yōu)勢。安森美半導體和功率轉(zhuǎn)換專家Transphorm就此合作，共同開發(fā)及共同推廣基于GaN的產(chǎn)品和電源系統(tǒng)方案，用于工業(yè)、計算機、通信、LED照明及網(wǎng)絡領(lǐng)域的各種高壓應用。去年，兩家公司已聯(lián)名推出600 V GaN 級聯(lián)結(jié)構(gòu)(Cascode)晶體管NTP8G202N和NTP8G206N，兩款器件的導通電阻分別為290 m?和150 m?，門極電荷均為6.2 nC，輸出電容分別為36 pF和56 pF，反向恢復電荷分別為0.029 ?C和0.054 ?C，采用優(yōu)化的TO-220封裝，易于根據(jù)客戶現(xiàn)有的制板能力而集成。
基于同一導通電阻等級，第一代600 V硅基GaN(GaN-on-Si)器件已比高壓硅MOSFET提供好4倍以上的門極電荷、更好的輸出電荷、差不多的輸出電容和好20倍以上的反向恢復電荷，并將有待繼續(xù)改進，未來GaN的優(yōu)勢將會越來越明顯。
表2：第一代600 V GaN-on-Si HEMT 與高壓MOSFET比較
Cascode相當于由GaN HEMT和低壓MOSFET組成：GaN HEMT可承受高電壓，過電壓能力達到750 V，并提供低導通電阻，而低壓MOSFET提供低門極驅(qū)動和低反向恢復。HEMT是高電子遷移率晶體管的英文縮寫，通過二維電子氣在橫向傳導電流下進行傳導。
圖1：GaN內(nèi)部架構(gòu)及級聯(lián)結(jié)構(gòu)
使用600 V GaN Cascode的三大優(yōu)勢是：
1. 具有卓越的體二極管特性：級聯(lián)建立在低壓硅技術(shù)上，且反向恢復特別低;
2. 容易驅(qū)動：設計人員可使用像普通MOSFET一樣的傳統(tǒng)門極驅(qū)動器，采用電壓驅(qū)動，且驅(qū)動由低壓硅MOSFET的閾值電壓和門極電荷決定；
3. 高可靠性：通過長期應用級測試，且符合JEDEC行業(yè)標準(通過標準為：0個擊穿、最終的漏電流低于規(guī)格門限、導通阻抗低于規(guī)格門限)。
PFC能效測試曲線
在許多現(xiàn)有電路拓撲中，Cascode GaN比Si提供更高能效。如圖2所示，在連續(xù)導電模式(CCM)升壓PFC拓撲中，在200 KHz和120 Vac輸入的條件下，Cascode GaN較超結(jié)合Si(SJ Si)提升近1%的效率，隨著頻率的升高，GaN的優(yōu)勢更為明顯。
圖2：CCM 升壓PFC 在200 kHz 和120 Vac 輸入.
采用GaN還使得圖騰柱(Totem Pole)電路成為可能，較傳統(tǒng)CCM升壓PFC提供更高能效。
圖3：傳統(tǒng)CCM升壓FPC vs. 圖騰柱電路
設計注意事項
采用GaN設計電源時，為降低系統(tǒng)EMI，需考慮幾個關(guān)鍵因素：首先，對于Cascode結(jié)構(gòu)的GaN，閾值非常穩(wěn)定地設定在2 V，即5 V導通， 0 V關(guān)斷，且提供± 18 V門極電壓，因而無需特別的驅(qū)動器。其次，布板很重要，盡量以短距離、小回路為原則，以最大限度地減少元件空間，并分開驅(qū)動回路和電源回路，而且需使用解調(diào)電容。對于硬開關(guān)橋式電路，使用磁珠而不是門極電阻，不要用反向二極管，使用解調(diào)母線電容。
此外，必須使用浪涌保護器件，并通過適當?shù)纳岽_保熱性能，并行化可通過匹配門極驅(qū)動和電源回路阻抗完成，當以單個點連接時，要求電源和信號元件獨立接地。
示例：利用GaN設計12 V/20 A 一體化工作站電源
一體化工作站正變得越來越輕薄，要求更輕和更小的電源轉(zhuǎn)換器，這通常通過提高開關(guān)頻率來實現(xiàn)。傳統(tǒng)Si MOSFET在高頻工作下的開關(guān)和驅(qū)動損耗是一個關(guān)鍵制約因素。GaN HEMT提供較傳統(tǒng)MOSFET更低的門極電荷和導通電阻，從而實現(xiàn)高頻條件下的更高電源轉(zhuǎn)換能效。
演示板設計為240 W通用板，它輸出20 A的負載電流和12 V輸出電壓，功率因數(shù)超過98%，滿載時總諧波失真(THD)低于17%。電源轉(zhuǎn)換器前端采用功率因數(shù)校正(PFC) IC，將AC轉(zhuǎn)換為調(diào)節(jié)的385 V DC總線電壓。升壓轉(zhuǎn)換器中的電感電流工作于CCM。升壓PFC段采用安森美半導體的NCP1654控制器。次級是隔離的DC-DC轉(zhuǎn)換器，將385 V DC總線電壓轉(zhuǎn)換為12 V DC輸出電壓。隔離的DC-DC轉(zhuǎn)換通過采用LLC諧振拓撲實現(xiàn)。次級端采用同步整流以提供更高能效。LLC電源轉(zhuǎn)換器采用安森美半導體的NCP1397，提供97%的滿載效率，而同步整流驅(qū)動器是NCP4304。NCP432用于反饋路徑以調(diào)節(jié)輸出電壓。演示板采用GaN HEMT作為PFC段和LLC段原邊的開關(guān)，提供0.29 m?的低導通電阻和> 100 V/ns 的高dv/dt，因而導致開關(guān)和導通損耗低，其低反向恢復電荷產(chǎn)生最小的反向恢復損耗。
其中，NCP1654提供可編程的過流保護、欠壓檢測、過壓保護、軟啟動、CCM、平均電流模式或峰值電流模式、可編程的過功率限制、浪涌電流檢測。NCP1397提供精確度為3%的可調(diào)節(jié)的最小開關(guān)頻率、欠壓輸入、1 A/0.5 A峰值汲/源電流驅(qū)動、基于計時器的過流保護(OCP)輸入具自動恢復、可調(diào)節(jié)的從100 ns至2 μs的死區(qū)時間、可調(diào)節(jié)的軟啟動。NCP4304的關(guān)鍵特性包括具可調(diào)節(jié)閾值的精密的真正次級零電流檢測、自動寄生電感補償、從電流檢測輸入到驅(qū)動器的關(guān)斷延遲40 ns、零電流檢測引腳耐受電壓達200 V、可選的超快觸發(fā)輸入、禁用引腳、可調(diào)的最小導通時間和最小關(guān)斷時間、5 A/2.5 A峰值電流汲/源驅(qū)動能力、工作電壓達30 V。
經(jīng)過頻譜分析儀和LISN測試，該設計的EMI符合EN55022B標準，并通過2.2 kV共模模式和1.1 kV 差分模式的浪涌測試。輸入電壓為115 Vac和230 Vac時，系統(tǒng)峰值效率分別超過95%和94%。該參考設計較現(xiàn)有采用硅的216 W電源參考設計減小25%的尺寸，提升2%的效率。
關(guān)于此參考設計的電路原理圖、布板文檔、物料單、設計提示及測試流程可于http://www.onsemi.cn/PowerSolutions/evalBoard.do?id=NCP1397GANGEVB下載。
總結(jié)
GaN超越硅，可實現(xiàn)更快速開關(guān)、更緊湊的尺寸、更高功率密度及更高的電源轉(zhuǎn)換能效，適用于開關(guān)電源和其它在能效及功率密度至關(guān)重要的應用。高能效的電源轉(zhuǎn)換有利于軟開關(guān)電路拓撲結(jié)構(gòu)回收能量，如相移全橋、半橋或全橋LLC、同步升壓等。隨著更多工程師熟悉GaN器件的優(yōu)勢，基于GaN的產(chǎn)品需求將快速增長。得益于技術(shù)的發(fā)展和市場的成長，將有望降低采用GaN的成本。安森美半導體憑借寬廣的知識產(chǎn)權(quán)陣容和專長，結(jié)合功率轉(zhuǎn)換專家Transphorm無與倫比的GaN知識，正工作于新的發(fā)展前沿，致力推進市場對GaN的廣泛采納。