作者@@： Art Pini ，文章来源@@：得捷电子@@@@DigiKey微信公众号@@
面对@@社会和@@监管要求@@，电源效率一直是电子@@系统的@@优先事项@@。特别是对@@于从电动汽车@@ (EV) 到高@@压通信和@@工业基础设施的@@应用@@，电源转换效率和@@功率@@密度是设计成功的@@关键@@。
为了满足这些要求@@，开关模式电源系统的@@设计者需要从使用@@传统的@@硅@@ (Si) 基金属氧化物场效应晶体管@@ (MOSFET) 和@@绝缘栅双极晶体管@@ (IGBT) 转为使用@@其它器件@@，因为硅器件正在@@迅速接近其理论极限@@。
因此@@设计者需要考虑基于宽带隙@@@@ (WBG) 材料的@@器件@@，如@@氮化镓@@@@ (GaN)。GaN 器件的@@开关速度比硅器件快@@，能处理更高@@的@@电压和@@功率@@水平@@，在@@既定功率@@水平下体积小得多@@，而且运行效率高@@得多@@。
本文将探讨氮化镓@@场效应晶体管@@@@ (GaN FET) 的@@基本原理@@，展示其在@@开关模式电源电路中@@相对@@于传统硅器件的@@优势@@@@，介绍@@Nexperia的@@实际案例@@，并对@@其应用进行了讨论@@。
1.GaN FET 基础知识@@
电源转换电路的@@基本@@188足彩外围@@app
是高@@压半导体开关@@。设计人员一直专注于通过以下方式提高@@@@这些器件的@@性能@@：通过减少导通@@状态下的@@串联电阻来减少传导损耗@@，通过提高@@@@转换速度来减少开关损耗@@，以及减少寄生效应等@@。总的@@来说@@，这些设计工作对@@硅@@ MOSFET 和@@ IGBT 来说是成功的@@@@，但随着这些器件的@@运行速度达到其理论极限@@，改进的@@速度也在@@减缓@@。
因此@@，在@@过去的@@几年里@@，使用@@碳化硅@@ (SiC) 和@@ GaN 的@@ WBG（宽带隙@@）器件已经推出@@，并达到了批量生产的@@程度@@。这些器件提供了更高@@的@@工作电压范围@@、更快的@@开关时间和@@更高@@的@@效率@@@@。
半导体的@@带隙是激发电子@@使之从束缚状态释放到自由@@状态以进行导电所需的@@最小能量@@（表@@ 1）。
表@@ 1：区分宽带隙@@半导体@@（如@@ GaN 和@@ SiC）与@@硅半导体的@@关键属性摘要@@。（表@@格来源@@：Art Pini）
用宽带隙@@半导体制造的@@器件相比@@传统半导体材料@@（如@@硅@@）具有更高@@的@@工作电压@@、频率和@@温度@@。更宽的@@带隙对@@于允许器件在@@更高@@的@@温度下工作尤为重要@@。耐高@@温意味着@@，在@@正常条件下这些器件可以在@@更高@@的@@功率@@水平上运行@@。具有较高@@临界电场和@@较高@@迁移率的@@宽带隙@@半导体具有最低的@@漏源导通@@电阻@@ (RDS(ON))，从而减少了传导损耗@@。
大多数宽带隙@@材料也有很高@@的@@自由@@电子@@速度@@，这使它们能够以更高@@的@@开关速度工作@@。
GaN 和@@ SiC 属复合半导体@@，与@@带隙为@@ 1.12 电子@@伏@@特@@ (eV) 的@@硅相比@@@@，其带隙分别为@@ 3.4 eV 和@@ 3.3 eV，高@@出约三倍@@@@。这意味着两者都能支持更高@@的@@电压和@@更高@@的@@频率@@。
GaN 更高@@的@@电子@@迁移率使之更适合于高@@性能@@、高@@频率应用@@。GaN 功率@@FET 实现了更快的@@开关速度和@@更高@@的@@工作频率@@，从而改善了信号控制@@，实现了截止频率更高@@的@@无源滤波器设计@@，并降低了纹波电流@@。这样就可以使@@用@@更小的@@电感@@、电容和@@变压器@@，从而减少了整体尺寸和@@重量@@。
GaN FET 被称为高@@电子@@迁移率晶体管@@ (HEMT)。高@@电子@@迁移率是@@ FET 结构的@@一个功能@@（图@@ 1）。
图@@ 1：基于硅基底的@@@@ GaN FET 横截面图@@@@。（图@@片@@来源@@：Nexperia）
GaN FET 利用的@@是现有的@@硅@@ CMOS 生产设施@@，因此@@性价比高@@@@。在@@纯@@ GaN 层生长之前@@，通过沉积种子层和@@作为隔离层的@@氮化镓@@铝@@ (AlGaN) 缓变层@@（图@@中@@未显示@@），在@@硅基底上形成氮化镓@@层@@。第二个@@ AlGaN 层则沉积在@@@@ GaN 层上面@@。这样就建立了压电极化@@，紧接着在@@@@ AlGaN 下面产生过量的@@电子@@@@，这是一个高@@度导电的@@通道@@。这种过量的@@电子@@称为二维电子@@气@@ (2DEG)。这个名字反映了在@@该层中@@有非常高@@的@@电子@@迁移率@@。
栅极下面形成了一个耗尽区@@。栅极的@@操作类似于一个@@ N 沟道@@、增强模式@@功率@@硅@@ MOSFET。在@@该器件栅极施加一个正电压即可@@导通@@@@。
重复多次这种结构@@，即可@@形成一个电源器件@@。最终形成一个绝对@@简单@@、优雅的@@高@@性价比电源开关解决方案@@。
为了让器件电压更高@@@@，可增加漏极和@@栅极之间的@@距离@@。由@@于@@GaN 2DEG 的@@电阻率非常低@@，与@@硅器件相比@@@@，增加阻断电压能力对@@导通@@电阻的@@影响要小得多@@。
GaN FET 的@@工作模式可以构造为两种配置@@，即增强模式@@或@@耗尽模式@@。增强模式@@ FET 是常闭的@@@@，因此@@必须在@@栅极上施加相对@@于漏极@@/源极的@@正电压@@，以使@@ FET 导通@@。耗尽型@@ FET 是常开的@@@@，因此@@必须施加相对@@于漏极@@/源极的@@负栅极电压来关断@@ FET。耗尽型@@ FET 在@@电源系统中@@是有问题的@@@@，因为在@@给系统通电之前@@，必须对@@氮化镓@@耗尽型@@@@ FET 施加负偏压@@。
解决这个问题的@@一个方法是将低压硅@@@@ FET 与@@耗尽型@@@@ GaN FET 组合在@@一个共源共栅放大电路配置中@@@@（图@@ 2）。
图@@ 2：低压硅@@ MOSFET 与@@耗尽型@@@@GaN FET 的@@共源共栅配置@@，会使硅栅结构的@@稳健性与@@@@ GaN 器件的@@高@@压时钟特性得到改善@@，并且使用@@耗尽型@@@@ GaN FET 时让复合器件在@@上电时关断@@。（图@@片@@来源@@：Nexperia）
该共源共栅放大电路采用了@@ Si MOSFET 栅极结构@@，其优点是与@@现有的@@@@ MOSFET 栅极驱动器@@ IC 相匹配的@@栅极@@驱动极限更高@@@@，而且耗尽型@@@@ GaN FET 在@@上电时是关断的@@@@。
GaN FET 的@@主要特点之一就是其高@@效率@@。这是由@@于@@@@：低串联电阻降低了传导损耗@@；它们的@@开关速度较快@@，降低了开关损耗@@；以及它们的@@反向恢复电荷较少@@，这也是它们的@@反向恢复损耗较低的@@原因@@。
使用@@常见的@@半桥升压转换器拓扑时@@，可以比较@@ GaN FET 和@@ Si MOSFET 的@@效率@@差异@@（图@@ 3）。
图@@ 3：图@@示为一个半桥升压转换器的@@原理图@@@@，用于比较@@ Si MOSFET 和@@ GaN FET 的@@效率@@，通过用每种类型器件替换晶体管@@ Q1 和@@ Q2 即可@@。（图@@片@@来源@@：Nexperia）
升压转换器的@@输入电压为@@ 240 伏@@，输出电压为@@ 400 伏@@，开关频率为@@ 100 千赫@@(kHz)。在@@最高@@@@ 3500 瓦@@的@@功率@@范围内@@比较了它们的@@效率@@和@@损失@@（图@@ 4）。
图@@ 4：在@@一个相同的@@电路中@@@@，对@@ GaN FET 和@@ Si MOSFET 的@@效率@@和@@功率@@损耗进行比较@@，显示了@@ GaN FET 的@@优势@@。（图@@片@@来源@@：Nexperia）
与@@ MOSFET 相比@@， GaN FET 的@@工作效率高@@约@@ 20%，功率@@损耗低约@@ 3 倍@@。在@@ 2000 瓦@@时@@，MOSFET的@@损耗约为@@ 62 瓦@@；在@@ GaN FET 中@@，损耗仅为@@ 19 瓦@@。这意味着冷却系统可以更小@@，从而提高@@@@升压转换器的@@体积效率@@。
不太明显的@@是@@，由@@于@@GaN FET 的@@最大电压限制较高@@@@，因此@@测量功率@@几乎进行到了@@3500 瓦@@。因此@@，GaN FET 具有绝对@@优势@@。
2. 用氮化镓@@启动高@@压器件设计@@
对@@于更高@@的@@电压应用@@，Nexperia 提供了两种@@ 650 伏@@的@@@@ GaN FET：GAN063-650WSAQ 和@@ GAN041-650WSBQ。两者均为常闭型@@ N 沟道@@场效应管@@。GAN063-650WSAQ 处理的@@额定最大漏源电压为@@ 650 伏@@，可承受@@ 800 伏@@的@@@@瞬态@@（脉冲宽度小于一微秒@@）。其额定漏电流为@@ 34.5 安培@@ (A)，在@@ 25℃ 时的@@功率@@耗散为@@ 143 瓦@@。漏源导通@@电阻通常为@@ 50 毫欧@@ (mΩ)，最大极限为@@ 60 mΩ。
GAN041-650WSBQ 具有相同的@@@@ 650 伏@@额定最大漏源电压和@@@@ 800 伏@@瞬态极限电压@@。其不同之处在@@于@@，在@@室温下可以处理@@ 47.2 A 的@@最大漏电流和@@@@ 187 瓦@@的@@最大功率@@耗散@@。其典型的@@通道电阻为@@ 35 mΩ，最大为@@ 41 mΩ。
图@@ 5 显示了@@在@@半桥配置中@@使用@@@@ GAN063-650WSAQ 的@@ Nexperia 参考设计@@。
图@@ 5：使用@@ GAN063-650WSA GaN FET 的@@半桥功率@@级的@@推荐设计@@。该原理图@@只显示了@@@@ FET 驱动器和@@半桥输出级以及相关@@188足彩外围@@app 。（图@@片@@来源@@：Nexperia）
该原理图@@显示了@@@@ Si8230 高@@/低双隔离栅极驱动器@@@@，可用于驱动@@ GaN FET 的@@栅极@@。该栅极驱动器@@的@@输出通过一个@@ 30 Ω 的@@栅极@@电阻器连接到栅极@@，这是所有@@ GaN 器件都需要的@@@@。栅极电阻器控制栅极电容的@@充电时间@@，影响动态开关性能@@。FET 漏极和@@源极之间的@@@@ R-C 网@@络也有助于控制开关性能@@。GaN FET 的@@栅极@@驱动电平在@@@@ 0 和@@10 至@@ 12 伏@@之间@@。
GaN FET 的@@高@@开关速度@@（通常在@@@@ 10 至@@ 11 纳秒@@ (ns) 范围内@@）需要精心布局@@，以尽量减少寄生电感@@，并使用@@@@ RC 吸收电路@@来抑制电压和@@电流瞬变引起的@@瞬时振荡@@。在@@设计中@@@@，高@@压电源和@@地之间要设置多个@@ RC 吸收电路@@（R17 至@@ 19 和@@ C33 至@@ 35）。吸收电路@@减少了因@@GaN FET 和@@旁路网@@络的@@相互作用引起的@@瞬时振荡@@。吸收电路@@连接应尽可能靠近高@@压侧@@ FET 的@@漏极@@。它们采用表@@面贴装电阻器和@@低有效串联电阻@@ (ESR) 陶瓷电容器@@，以尽量减少引线电感@@。
由@@ R4、D1、C12和@@ C13组成的@@@@188足彩外围@@app 网@@络是高@@压栅极驱动器@@的@@自举电源@@。D1应该是一个快速@@、低容二极管@@，因为其结电容会造成开关损耗@@。R4限制浪涌充电电流@@；数值在@@@@ 10 至@@ 15Ω 之间效果为佳@@。
3. 结语@@
从电动汽车到通信和@@工业基础设施@@，人们对@@更高@@电力转换效率和@@更高@@功率@@密度的@@需求不断增加@@，这就要求从传统硅结构器件转而使用@@其他材料器件@@。综上所述@@，氮化镓@@场效应晶体管@@ (GaN FET) 通过提供更高@@的@@工作电压@@、更快的@@开关速度和@@更高@@的@@效率@@@@，为下一代设计提供了一条出路@@。现成即用的@@元器件@@，加上某些参考设计@@支持@@，将帮助设计者将项目快速启动并使之运转@@。