原标题：为什么以及如何将GaN场效应晶体管应用于高效、更高电压、开关模式电源应用

　　面对社会和监管要求，电源效率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各种应用，功率转换效率和功率密度对于设计成功至关重要。

　　为了满足这些要求，开关模式电源系统的设计人员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)转变，因为它们正在迅速接近其理论极限。

　　相反，设计人员需要考虑基于宽带隙(WBG)材料(如氮化镓(GaN))的器件。GaN器件的开关速度比硅器件快，可处理更高的电压和功率水平，对于给定的功率水平，GaN器件要小得多，并且运行效率要高得多。

　　本文将研究GaN FET的基础知识，展示它们在开关模式电源电路中相对于传统硅器件的优势，并介绍来自 安世半导体，并讨论其应用。

　　氮化镓场效应管的基础知识

　　电源转换电路中的基本元件是高压半导体开关。设计人员一直专注于通过以下方式提高这些器件的性能：通过降低导通串联电阻来降低传导损耗，通过提高转换速度来降低开关损耗，以及减少寄生效应。总的来说，这些设计工作在硅MOSFET和IGBT上取得了成功，但随着这些器件的运行达到其理论极限，改进速度一直在放缓。

　　因此，在过去几年中，WBG器件的引入使用了碳化硅(SiC)和GaN，以至于它们已达到批量生产。这些器件提供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以将它们从束缚态释放到自由态以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)与硅的关键特性摘要(表来源：Art Pini)

　　采用宽带隙半导体制成的器件可以在比硅等传统半导体材料高得多的电压、频率和温度下工作。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，这些设备可以在更高的功率水平下运行。具有更高临界电场和更高迁移率的WBG半导体具有最低的漏源导通电阻(RDS(ON))，从而减少传导损耗。

　　大多数宽带隙材料还具有高自由电子速度，这使得它们能够以更高的开关速度工作。

　　与带隙为1.12电子伏特(eV)的Si相比，GaN和SiC是化合物半导体，其带隙分别在3.4 eV和3.3 eV时高出约三倍。这意味着两者都可以支持更高的电压和更高的频率。

　　GaN更高的电子迁移率使其更适合高性能、高频应用。GaN 功率 FET 可实现更快的开关速度和更高的工作频率，从而改善信号控制、具有更高截止频率的无源滤波器设计和更低的纹波电流。这允许使用更小的电感器、电容器和变压器，从而减小了整体尺寸和重量。

　　氮化镓场效应管被称为高电子迁移率晶体管(HEMT)。高电子迁移率是FET结构的函数(图1)。

　　图 1：基于 Si 衬底的 GaN FET 的横截面图。(图片来源：安世半导体)

　　GaN FET利用现有的硅CMOS生产设施，使其具有成本效益。在纯GaN层生长之前，通过在纯GaN层生长之前沉积晶种层以及GaN和氮化铝镓(AlGaN)的分级层作为隔离层(图中未显示)，在Si衬底上形成GaN层。第二个AlGaN层沉积在GaN层的顶部。这建立了压电极化，在AlGaN(高导电通道)下方立即产生过量的电子。这种过量的电子被称为二维电子气体(2DEG)。这个名字反映了这一层中非常高的电子迁移率。

　　在门下方形成一个耗尽区域。栅极的操作类似于N沟道、增强模式功率硅MOSFET。施加到此设备栅极的正电压将其打开。

　　该结构重复多次以形成功率器件。最终结果是一个简单、优雅、经济高效的电源开关解决方案。

　　为了获得更高电压的器件，增加了漏极和栅极之间的距离。由于GaN 2DEG的电阻率非常低，因此与硅器件相比，通过增加阻断电压能力对电阻的影响要小得多。

　　GaN FET可以构建为在两种配置中的任何一种下工作：增强模式或耗尽模式。增强模式 FET 通常关断，因此必须向栅极施加相对于漏极/源极的正电压以打开 FET。耗尽模式FET通常导通，因此必须施加相对于漏极/源极的负栅极电压以关闭FET。耗尽模式FET在电源系统中存在问题，因为在系统上电之前，必须对GaN耗尽模式FET施加负偏置。

　　解决此问题的一种方法是在级联电路配置中将低压硅 FET 与耗尽模式 GaN FET 相结合(图 2)。

　　图 2：采用耗尽模式 GaN FET 的级联配置的低压硅 MOSFET 可实现硅栅结构的鲁棒性，并改善 GaN 器件的高压时钟特性，并且在耗尽模式 GaN FET 的情况下，复合器件在上电时关闭。(图片来源安世)

　　级联电路采用硅 MOSFET 栅极结构，该结构具有与现有 MOSFET 栅极驱动器 IC 匹配的更高栅极驱动限值的优点，并且耗尽模式 GaN FET 在上电时关闭。

　　GaN FET的主要特性之一是其高效率。这是由于：低串联电阻，可降低传导损耗;其更快的开关时间，从而降低了开关损耗;以及较低的反向回收费用，这是其反向回收损失较低的原因。

　　使用通用的半桥升压转换器拓扑，可以比较氮化镓 FET 和硅 MOSFET 的效率(图 3)。

　　图 3：所示为半桥升压转换器的原理图，用于通过交换每种类型的晶体管 Q1 和 Q2 来比较 MOSFET 和 GaN FET 的效率。(图片来源：安世半导体)

　　升压转换器的输入电压为 240 伏，输出为 400 伏，开关频率为 100 千赫兹 (kHz)。在高达 3500 W 的功率范围内比较效率和损耗(图 4)。

　　图 4：相同电路中氮化镓 FET 和 MOSFET 之间的效率和功率损耗比较，显示了氮化镓 FET 的优势。(图片来源安世)

　　与MOSFET相比，GaN FET的效率高出约20%，功率损耗降低了约三倍。在 2000 瓦时，MOSFET 中的损耗约为 62 瓦;在氮化镓场效应管中，它只有19瓦。这意味着冷却系统可以更小，从而提高升压转换器的容积效率。

　　不太明显的是，由于GaN FET的最大电压限制较高，因此测量功率接近3500瓦。因此，GaN FET具有明显的优势。

　　用于更高电压的氮化镓入门

　　针对更高电压的应用，Nexperia提供两个650伏氮化镓FET，即 GAN063-650WSAQ 和 GAN041-650WSBQ.两者都是通常关断的N沟道FET。GAN063-650WSAQ 的额定电压最大漏源电压为 650 伏，可承受 800 伏的瞬态(脉冲宽度小于一微秒)。它的额定漏极电流为 34.5 安培 (A)，25°C 时的功耗为 143 瓦。 漏源导通电阻典型值为50毫欧(mΩ)，最大限值为60 mΩ。

　　GAN041-650WSBQ 具有相同的 650 伏最大漏源电压额定值和相同的 800 伏瞬态限值。它的不同之处在于它可以处理室温下 47.2 A 的最大漏极电流和 187 W 的最大功耗。其典型通道电阻为35 mΩ，最大值为41 mΩ。

　　采用半桥配置的GAN063-650WSAQ的Nexperia参考设计如图5所示。

　　图 5：使用 GAN063-650WSA GaN FET 的半桥功率级的推荐设计。原理图仅显示FET驱动器和半桥输出级以及相关元件。(图片来源：安世半导体)

　　原理图显示了Si8230高/低双通道隔离栅极驱动器，用于驱动GaN FET的栅极。栅极驱动器的输出通过30 Ω栅极电阻连接到栅极，这是所有GaN器件所必需的。栅极电阻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 的栅极驱动电平介于 0 和 10 到 12 V 之间。

　　GaN FET 的高开关速度(通常在 10 至 11 纳秒 (ns) 范围内)需要仔细布局以最小化寄生电感，并使用 RC 缓冲器来抑制由电压和电流瞬变引起的振铃。在高压电源和接地之间的设计中有多个RC缓冲器(R17至19和C33至35)。缓冲器可减少由GaN FET和旁路网络相互作用引起的振铃。缓冲器应尽可能靠近高端FET的漏极连接。它们采用表面贴装电阻器和低有效串联电阻 (ESR) 陶瓷电容器来实现，以最大限度地降低引线电感。

　　R形成的组件网络4， D1， C12和 C13 是用于高端栅极驱动器的自举电源。D1 应该是快速、低电容二极管，因为它的结电容会导致开关损耗。R4 限制浪涌充电电流;10 到 15 范围内的值Ω效果很好。

　　结论

　　从电动汽车到通信和工业基础设施，对更高功率转换效率和功率密度的需求需要从传统的硅结构转变。如图所示，GaN FET通过提供更高的工作电压、更快的开关时间和更高的效率，为下一代设计提供了前进的方向。现成的组件(在某些情况下由参考设计支持)可帮助设计人员快速启动和运行项目。