安森美半導(dǎo)體推進(jìn)更快、更智能和更高能效的GaN晶體管

氮化鎵(GaN)是一種新興的半導(dǎo)體工藝技術(shù)，提供超越硅的多種優(yōu)勢(shì)，被稱為第三代半導(dǎo)體材料，用于電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)如功率因數(shù)校正(PFC)、軟開(kāi)關(guān)DC-DC、各種終端應(yīng)用如電源適配器、光伏逆變器或太陽(yáng)能逆變器、服務(wù)器及通信電源等，可實(shí)現(xiàn)硅器件難以達(dá)到的更高電源轉(zhuǎn)換效率和更高的功率密度水平，為開(kāi)關(guān)電源和其它在能效及功率密度至關(guān)重要的應(yīng)用帶來(lái)性能飛躍。

GaN的優(yōu)勢(shì)

從表1可見(jiàn)，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(kāi)關(guān)過(guò)程的反向恢復(fù)時(shí)間可忽略不計(jì)，因而表現(xiàn)出低損耗并提供高開(kāi)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(kāi)關(guān)頻率可減少濾波器和無(wú)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(shè)計(jì)人員實(shí)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(dǎo)體材料關(guān)鍵特性一覽

安森美半導(dǎo)體與Transphorm聯(lián)合推出第一代Cascode GaN

GaN在電源應(yīng)用已證明能提供優(yōu)于硅基器件的重要性能優(yōu)勢(shì)。安森美半導(dǎo)體和功率轉(zhuǎn)換專家Transphorm就此合作，共同開(kāi)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(jì)算機(jī)、通信、LED照明及網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的各種高壓應(yīng)用。去年，兩家公司已聯(lián)名推出600 V GaN 級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)(Cascode)晶體管NTP8G202N和NTP8G206N，兩款器件的導(dǎo)通電阻分別為290 m?和150 m?，門(mén)極電荷均為6.2 nC，輸出電容分別為36 pF和56 pF，反向恢復(fù)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(dǎo)通電阻等級(jí)，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(mén)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(fù)電荷，并將有待繼續(xù)改進(jìn)，未來(lái)GaN的優(yōu)勢(shì)將會(huì)越來(lái)越明顯。

表2：第一代600 V GaN-on-Si HEMT 與高壓MOSFET比較

Cascode相當(dāng)于由GaN HEMT和低壓MOSFET組成：GaN HEMT可承受高電壓，過(guò)電壓能力達(dá)到750 V，并提供低導(dǎo)通電阻，而低壓MOSFET提供低門(mén)極驅(qū)動(dòng)和低反向恢復(fù)。HEMT是高電子遷移率晶體管的英文縮寫(xiě)，通過(guò)二維電子氣在橫向傳導(dǎo)電流下進(jìn)行傳導(dǎo)。

圖1：GaN內(nèi)部架構(gòu)及級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)

使用600 V GaN Cascode的三大優(yōu)勢(shì)是：

1. 具有卓越的體二極管特性：級(jí)聯(lián)建立在低壓硅技術(shù)上，且反向恢復(fù)特別低;

2. 容易驅(qū)動(dòng)：設(shè)計(jì)人員可使用像普通MOSFET一樣的傳統(tǒng)門(mén)極驅(qū)動(dòng)器，采用電壓驅(qū)動(dòng)，且驅(qū)動(dòng)由低壓硅MOSFET的閾值電壓和門(mén)極電荷決定;

3. 高可靠性：通過(guò)長(zhǎng)期應(yīng)用級(jí)測(cè)試，且符合JEDEC行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)為：0個(gè)擊穿、最終的漏電流低于規(guī)格門(mén)限、導(dǎo)通阻抗低于規(guī)格門(mén)限)。

PFC能效測(cè)試曲線

在許多現(xiàn)有電路拓?fù)渲?，Cascode GaN比Si提供更高能效。如圖2所示，在連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM)升壓PFC拓?fù)渲?，?00 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(shì)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(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

采用GaN設(shè)計(jì)電源時(shí)，為降低系統(tǒng)EMI，需考慮幾個(gè)關(guān)鍵因素：首先，對(duì)于Cascode結(jié)構(gòu)的GaN，閾值非常穩(wěn)定地設(shè)定在2 V，即5 V導(dǎo)通， 0 V關(guān)斷，且提供± 18 V門(mén)極電壓，因而無(wú)需特別的驅(qū)動(dòng)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(kāi)驅(qū)動(dòng)回路和電源回路，而且需使用解調(diào)電容。對(duì)于硬開(kāi)關(guān)橋式電路，使用磁珠而不是門(mén)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(hù)器件，并通過(guò)適當(dāng)?shù)纳岽_保熱性能，并行化可通過(guò)匹配門(mén)極驅(qū)動(dòng)和電源回路阻抗完成，當(dāng)以單個(gè)點(diǎn)連接時(shí)，要求電源和信號(hào)元件獨(dú)立接地。

示例：利用GaN設(shè)計(jì)12 V/20 A 一體化工作站電源

一體化工作站正變得越來(lái)越輕薄，要求更輕和更小的電源轉(zhuǎn)換器，這通常通過(guò)提高開(kāi)關(guān)頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)Si MOSFET在高頻工作下的開(kāi)關(guān)和驅(qū)動(dòng)損耗是一個(gè)關(guān)鍵制約因素。GaN HEMT提供較傳統(tǒng)MOSFET更低的門(mén)極電荷和導(dǎo)通電阻，從而實(shí)現(xiàn)高頻條件下的更高電源轉(zhuǎn)換能效。

演示板設(shè)計(jì)為240 W通用板，它輸出20 A的負(fù)載電流和12 V輸出電壓，功率因數(shù)超過(guò)98%，滿載時(shí)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(dǎo)體的NCP1654控制器。次級(jí)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(guò)采用LLC諧振拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)。次級(jí)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(dǎo)體的NCP1397，提供97%的滿載效率，而同步整流驅(qū)動(dòng)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(kāi)關(guān)，提供0.29 m?的低導(dǎo)通電阻和> 100 V/ns 的高dv/dt，因而導(dǎo)致開(kāi)關(guān)和導(dǎo)通損耗低，其低反向恢復(fù)電荷產(chǎn)生最小的反向恢復(fù)損耗。

其中，NCP1654提供可編程的過(guò)流保護(hù)、欠壓檢測(cè)、過(guò)壓保護(hù)、軟啟動(dòng)、CCM、平均電流模式或峰值電流模式、可編程的過(guò)功率限制、浪涌電流檢測(cè)。NCP1397提供精確度為3%的可調(diào)節(jié)的最小開(kāi)關(guān)頻率、欠壓輸入、1 A/0.5 A峰值汲/源電流驅(qū)動(dòng)、基于計(jì)時(shí)器的過(guò)流保護(hù)(OCP)輸入具自動(dòng)恢復(fù)、可調(diào)節(jié)的從100 ns至2 μs的死區(qū)時(shí)間、可調(diào)節(jié)的軟啟動(dòng)。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(jí)零電流檢測(cè)、自動(dòng)寄生電感補(bǔ)償、從電流檢測(cè)輸入到驅(qū)動(dòng)器的關(guān)斷延遲40 ns、零電流檢測(cè)引腳耐受電壓達(dá)200 V、可選的超快觸發(fā)輸入、禁用引腳、可調(diào)的最小導(dǎo)通時(shí)間和最小關(guān)斷時(shí)間、5 A/2.5 A峰值電流汲/源驅(qū)動(dòng)能力、工作電壓達(dá)30 V。

經(jīng)過(guò)頻譜分析儀和LISN測(cè)試，該設(shè)計(jì)的EMI符合EN55022B標(biāo)準(zhǔn)，并通過(guò)2.2 kV共模模式和1.1 kV 差分模式的浪涌測(cè)試。輸入電壓為115 Vac和230 Vac時(shí)，系統(tǒng)峰值效率分別超過(guò)95%和94%。該參考設(shè)計(jì)較現(xiàn)有采用硅的216 W電源參考設(shè)計(jì)減小25%的尺寸，提升2%的效率。

關(guān)于此參考設(shè)計(jì)的電路原理圖、布板文檔、物料單、設(shè)計(jì)提示及測(cè)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(shí)現(xiàn)更快速開(kāi)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(kāi)關(guān)電源和其它在能效及功率密度至關(guān)重要的應(yīng)用。高能效的電源轉(zhuǎn)換有利于軟開(kāi)關(guān)電路拓?fù)浣Y(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(shì)，基于GaN的產(chǎn)品需求將快速增長(zhǎng)。得益于技術(shù)的發(fā)展和市場(chǎng)的成長(zhǎng)，將有望降低采用GaN的成本。安森美半導(dǎo)體憑借寬廣的知識(shí)產(chǎn)權(quán)陣容和專長(zhǎng)，結(jié)合功率轉(zhuǎn)換專家Transphorm無(wú)與倫比的GaN知識(shí)，正工作于新的發(fā)展前沿，致力推進(jìn)市場(chǎng)對(duì)GaN的廣泛采納。