【導(dǎo)讀】面對(duì)社會(huì)和監(jiān)管要求,電源效率一直是電子系統(tǒng)的優(yōu)先事項(xiàng)。特別是對(duì)于從電動(dòng)汽車 (EV) 到高壓通信和工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施的應(yīng)用,電源轉(zhuǎn)換效率和功率密度是設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵。
為了滿足這些要求,開(kāi)關(guān)模式電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者需要從使用傳統(tǒng)的硅 (Si) 基金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 和絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 轉(zhuǎn)為使用其它器件,因?yàn)楣杵骷谘杆俳咏淅碚摌O限。
因此設(shè)計(jì)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(kāi)關(guān)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(yùn)行效率高得多。
本文將探討氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (GaN FET) 的基本原理,展示其在開(kāi)關(guān)模式電源電路中相對(duì)于傳統(tǒng)硅器件的優(yōu)勢(shì),介紹Nexperia的實(shí)際案例,并對(duì)其應(yīng)用進(jìn)行了討論。
01 GaN FET 基礎(chǔ)知識(shí)
電源轉(zhuǎn)換電路的基本元件是高壓半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)。設(shè)計(jì)人員一直專注于通過(guò)以下方式提高這些器件的性能:通過(guò)減少導(dǎo)通狀態(tài)下的串聯(lián)電阻來(lái)減少傳導(dǎo)損耗,通過(guò)提高轉(zhuǎn)換速度來(lái)減少開(kāi)關(guān)損耗,以及減少寄生效應(yīng)等??偟膩?lái)說(shuō),這些設(shè)計(jì)工作對(duì)硅 MOSFET 和 IGBT 來(lái)說(shuō)是成功的,但隨著這些器件的運(yùn)行速度達(dá)到其理論極限,改進(jìn)的速度也在減緩。
因此,在過(guò)去的幾年里,使用碳化硅 (SiC) 和 GaN 的 WBG(寬帶隙)器件已經(jīng)推出,并達(dá)到了批量生產(chǎn)的程度。這些器件提供了更高的工作電壓范圍、更快的開(kāi)關(guān)時(shí)間和更高的效率。
半導(dǎo)體的帶隙是激發(fā)電子使之從束縛狀態(tài)釋放到自由狀態(tài)以進(jìn)行導(dǎo)電所需的最小能量(表 1)。
表 1:區(qū)分寬帶隙半導(dǎo)體(如 GaN 和 SiC)與硅半導(dǎo)體的關(guān)鍵屬性摘要。(表格來(lái)源:Art Pini)
用寬帶隙半導(dǎo)體制造的器件相比傳統(tǒng)半導(dǎo)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(duì)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(yùn)行。具有較高臨界電場(chǎng)和較高遷移率的寬帶隙半導(dǎo)體具有最低的漏源導(dǎo)通電阻 (RDS(ON)),從而減少了傳導(dǎo)損耗。
大多數(shù)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(kāi)關(guān)速度工作。
GaN 和 SiC 屬?gòu)?fù)合半導(dǎo)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(yīng)用。GaN 功率FET 實(shí)現(xiàn)了更快的開(kāi)關(guān)速度和更高的工作頻率,從而改善了信號(hào)控制,實(shí)現(xiàn)了截止頻率更高的無(wú)源濾波器設(shè)計(jì),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(jié)構(gòu)的一個(gè)功能(圖 1)。
圖 1:基于硅基底的 GaN FET 橫截面圖。(圖片來(lái)源:Nexperia)
GaN FET 利用的是現(xiàn)有的硅 CMOS 生產(chǎn)設(shè)施,因此性價(jià)比高。在純 GaN 層生長(zhǎng)之前,通過(guò)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(gè) 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(chǎn)生過(guò)量的電子,這是一個(gè)高度導(dǎo)電的通道。這種過(guò)量的電子稱為二維電子氣 (2DEG)。這個(gè)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(gè)耗盡區(qū)。柵極的操作類似于一個(gè) N 溝道、增強(qiáng)模式功率硅 MOSFET。在該器件柵極施加一個(gè)正電壓即可導(dǎo)通。
重復(fù)多次這種結(jié)構(gòu),即可形成一個(gè)電源器件。最終形成一個(gè)絕對(duì)簡(jiǎn)單、優(yōu)雅的高性價(jià)比電源開(kāi)關(guān)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(duì)導(dǎo)通電阻的影響要小得多。
GaN FET 的工作模式可以構(gòu)造為兩種配置,即增強(qiáng)模式或耗盡模式。增強(qiáng)模式 FET 是常閉的,因此必須在柵極上施加相對(duì)于漏極/源極的正電壓,以使 FET 導(dǎo)通。耗盡型 FET 是常開(kāi)的,因此必須施加相對(duì)于漏極/源極的負(fù)柵極電壓來(lái)關(guān)斷 FET。耗盡型 FET 在電源系統(tǒng)中是有問(wèn)題的,因?yàn)樵诮o系統(tǒng)通電之前,必須對(duì)氮化鎵耗盡型 FET 施加負(fù)偏壓。
解決這個(gè)問(wèn)題的一個(gè)方法是將低壓硅 FET 與耗盡型 GaN FET 組合在一個(gè)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(huì)使硅柵結(jié)構(gòu)的穩(wěn)健性與 GaN 器件的高壓時(shí)鐘特性得到改善,并且使用耗盡型 GaN FET 時(shí)讓復(fù)合器件在上電時(shí)關(guān)斷。(圖片來(lái)源:Nexperia)
該共源共柵放大電路采用了 Si MOSFET 柵極結(jié)構(gòu),其優(yōu)點(diǎn)是與現(xiàn)有的 MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 相匹配的柵極驅(qū)動(dòng)極限更高,而且耗盡型 GaN FET 在上電時(shí)是關(guān)斷的。
GaN FET 的主要特點(diǎn)之一就是其高效率。這是由于:低串聯(lián)電阻降低了傳導(dǎo)損耗;它們的開(kāi)關(guān)速度較快,降低了開(kāi)關(guān)損耗;以及它們的反向恢復(fù)電荷較少,這也是它們的反向恢復(fù)損耗較低的原因。
使用常見(jiàn)的半橋升壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)鋾r(shí),可以比較 GaN FET 和 Si MOSFET 的效率差異(圖 3)。
圖 3:圖示為一個(gè)半橋升壓轉(zhuǎn)換器的原理圖,用于比較 Si MOSFET 和 GaN FET 的效率,通過(guò)用每種類型器件替換晶體管 Q1 和 Q2 即可。(圖片來(lái)源:Nexperia)
升壓轉(zhuǎn)換器的輸入電壓為 240 伏,輸出電壓為 400 伏,開(kāi)關(guān)頻率為 100 千赫(kHz)。在最高 3500 瓦的功率范圍內(nèi)比較了它們的效率和損失(圖 4)。
圖 4:在一個(gè)相同的電路中,對(duì) GaN FET 和 Si MOSFET 的效率和功率損耗進(jìn)行比較,顯示了 GaN FET 的優(yōu)勢(shì)。(圖片來(lái)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(shí),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(tǒng)可以更小,從而提高升壓轉(zhuǎn)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(cè)量功率幾乎進(jìn)行到了3500 瓦。因此,GaN FET 具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。
02 用氮化鎵啟動(dòng)高壓器件設(shè)計(jì)
對(duì)于更高的電壓應(yīng)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(chǎng)效應(yīng)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(tài)(脈沖寬度小于一微秒)。其額定漏電流為 34.5 安培 (A),在 25℃ 時(shí)的功率耗散為 143 瓦。漏源導(dǎo)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(tài)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(shè)計(jì)。
圖 5:使用 GAN063-650WSA GaN FET 的半橋功率級(jí)的推薦設(shè)計(jì)。該原理圖只顯示了 FET 驅(qū)動(dòng)器和半橋輸出級(jí)以及相關(guān)元件。(圖片來(lái)源:Nexperia)
該原理圖顯示了 Si8230 高/低雙隔離柵極驅(qū)動(dòng)器,可用于驅(qū)動(dòng) GaN FET 的柵極。該柵極驅(qū)動(dòng)器的輸出通過(guò)一個(gè) 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(shí)間,影響動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)性能。FET 漏極和源極之間的 R-C 網(wǎng)絡(luò)也有助于控制開(kāi)關(guān)性能。GaN FET 的柵極驅(qū)動(dòng)電平在 0 和10 至 12 伏之間。
GaN FET 的高開(kāi)關(guān)速度(通常在 10 至 11 納秒 (ns) 范圍內(nèi))需要精心布局,以盡量減少寄生電感,并使用 RC 吸收電路來(lái)抑制電壓和電流瞬變引起的瞬時(shí)振蕩。在設(shè)計(jì)中,高壓電源和地之間要設(shè)置多個(gè) 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(wǎng)絡(luò)的相互作用引起的瞬時(shí)振蕩。吸收電路連接應(yīng)盡可能靠近高壓側(cè) FET 的漏極。它們采用表面貼裝電阻器和低有效串聯(lián)電阻 (ESR) 陶瓷電容器,以盡量減少引線電感。
由 R4、D1、C12和 C13組成的元件網(wǎng)絡(luò)是高壓柵極驅(qū)動(dòng)器的自舉電源。D1應(yīng)該是一個(gè)快速、低容二極管,因?yàn)槠浣Y(jié)電容會(huì)造成開(kāi)關(guān)損耗。R4限制浪涌充電電流;數(shù)值在 10 至 15Ω 之間效果為佳。
03 結(jié)語(yǔ)
從電動(dòng)汽車到通信和工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施,人們對(duì)更高電力轉(zhuǎn)換效率和更高功率密度的需求不斷增加,這就要求從傳統(tǒng)硅結(jié)構(gòu)器件轉(zhuǎn)而使用其他材料器件。綜上所述,氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (GaN FET) 通過(guò)提供更高的工作電壓、更快的開(kāi)關(guān)速度和更高的效率,為下一代設(shè)計(jì)提供了一條出路?,F(xiàn)成即用的元器件,加上某些參考設(shè)計(jì)支持,將幫助設(shè)計(jì)者將項(xiàng)目快速啟動(dòng)并使之運(yùn)轉(zhuǎn)。
小編的話
GaN已經(jīng)在PD快充這類設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用,并正在向數(shù)據(jù)中心服務(wù)器和汽車等工業(yè)領(lǐng)域拓展。提高工作電壓有利于GaN器件擴(kuò)展其應(yīng)用范圍,相信本文介紹的GaN FET器件在高壓電源中的應(yīng)用和設(shè)計(jì)方法,能夠給大家?guī)?lái)有益的參考。
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