安森美半导体GaN晶体管——追求更快、更智能和更高能效

安森美半导体GaN晶体管——追求更快、更智能和更高能效

第三代半导体材料——氮化镓(GaN)，作为时下新兴的半导体工艺技术，提供超越硅的多种优势。与硅器件相比，GaN在电源转换效率和功率密度上实现了性能的飞跃，广泛应用于功率因数校正(PFC)、软开关DC-DC等电源系统设计，以及电源适配器、光伏逆变器或太阳能逆变器、服务器及通信电源等终端领域。为了满足市场对GaN的需求，安森美半导体与Transphorm联合推出第一代Cascode GaN，共同推动GaN市场的发展。

GaN的优势

从表1可见，GaN具备出色的击穿能力、更高的电子密度及速度，和更高的工作温度。GaN提供高电子迁移率，这意味着开关过程的反向恢复时间可忽略不计，因而表现出低损耗并提供高开关频率，而低损耗加上宽带宽器件的高结温特性，可降低散热量，高开关频率可减少滤波器和无源器件如变压器、电容、电感等的使用，最终减小系统尺寸和重量，提升功率密度，有助于设计人员实现紧凑的高能效电源方案。同为宽带宽器件，GaN比SiC的成本更低，更易于商业化和具备广泛采用的潜力。

表1：半导体材料关键特性一览

安森美半导体与Transphorm联合推出第一代Cascode GaN

GaN在电源应用已证明能提供优于硅基器件的重要性能优势。安森美半导体和功率转换专家Transphorm就此合作，共同开发及共同推广基于GaN的产品和电源系统方案，用于工业、计算机、通信、LED照明及网络领域的各种高压应用。去年，两家公司已联名推出600 V GaN 级联结构(Cascode)晶体管NTP8G202N和NTP8G206N，两款器件的导通电阻分别为290 mΩ和150 mΩ，门极电荷均为6.2 nC，输出电容分别为36 pF和56 pF，反向恢复电荷分别为0.029 µC和0.054 µC，采用优化的TO-220封装，易于根据客户现有的制板能力而集成。

基于同一导通电阻等级，第一代600 V硅基GaN(GaN-on-Si)器件已比高压硅MOSFET提供好4倍以上的门极电荷、更好的输出电荷、差不多的输出电容和好20倍以上的反向恢复电荷，并将有待继续改进，未来GaN的优势将会越来越明显。

表2：第一代600 V GaN-on-Si HEMT 与高压MOSFET比较

Cascode相当于由GaN HEMT和低压MOSFET组成：GaN HEMT可承受高电压，过电压能力达到750 V，并提供低导通电阻，而低压MOSFET提供低门极驱动和低反向恢复。HEMT是高电子迁移率晶体管的英文缩写，通过二维电子气在横向传导电流下进行传导。

图1：GaN内部架构及级联结构

使用600 V GaN Cascode的三大优势是：

1. 具有卓越的体二极管特性：级联建立在低压硅技术上，且反向恢复特别低;

2. 容易驱动：设计人员可使用像普通MOSFET一样的传统门极驱动器，采用电压驱动，且驱动由低压硅MOSFET的阈值电压和门极电荷决定；

3. 高可靠性：通过长期应用级测试，且符合JEDEC行业标准(通过标准为：0个击穿、最终的漏电流低于规格门限、导通阻抗低于规格门限)。

PFC能效测试曲线

在许多现有电路拓扑中，Cascode GaN比Si提供更高能效。如图2所示，在连续导电模式(CCM)升压PFC拓扑中，在200 KHz和120 Vac输入的条件下，Cascode GaN较超结合Si(SJ Si)提升近1%的效率，随着频率的升高，GaN的优势更为明显。

图2：CCM 升压PFC 在200 kHz 和120 Vac 输入.

采用GaN还使得图腾柱(Totem Pole)电路成为可能，较传统CCM升压PFC提供更高能效。

图3：传统CCM升压FPC vs. 图腾柱电路

设计注意事项

采用GaN设计电源时，为降低系统EMI，需考虑几个关键因素：首先，对于Cascode结构的GaN，阈值非常稳定地设定在2 V，即5 V导通， 0 V关断，且提供± 18 V门极电压，因而无需特别的驱动器。其次，布板很重要，尽量以短距离、小回路为原则，以最大限度地减少元件空间，并分开驱动回路和电源回路，而且需使用解调电容。对于硬开关桥式电路，使用磁珠而不是门极电阻，不要用反向二极管，使用解调母线电容。

此外，必须使用浪涌保护器件，并通过适当的散热确保热性能，并行化可通过匹配门极驱动和电源回路阻抗完成，当以单个点连接时，要求电源和信号元件独立接地。

示例：利用GaN设计12 V/20 A 一体化工作站电源

一体化工作站正变得越来越轻薄，要求更轻和更小的电源转换器，这通常通过提高开关频率来实现。传统Si MOSFET在高频工作下的开关和驱动损耗是一个关键制约因素。GaN HEMT提供较传统MOSFET更低的门极电荷和导通电阻，从而实现高频条件下的更高电源转换能效。

演示板设计为240 W通用板，它输出20 A的负载电流和12 V输出电压，功率因数超过98%，满载时总谐波失真(THD)低于17%。电源转换器前端采用功率因数校正(PFC) IC，将AC转换为调节的385 V DC总线电压。升压转换器中的电感电流工作于CCM。升压PFC段采用安森美半导体的NCP1654控制器。次级是隔离的DC-DC转换器，将385 V DC总线电压转换为12 V DC输出电压。隔离的DC-DC转换通过采用LLC谐振拓扑实现。次级端采用同步整流以提供更高能效。LLC电源转换器采用安森美半导体的NCP1397，提供97%的满载效率，而同步整流驱动器是NCP4304。NCP432用于反馈路径以调节输出电压。演示板采用GaN HEMT作为PFC段和LLC段原边的开关，提供0.29 mΩ的低导通电阻和> 100 V/ns 的高dv/dt，因而导致开关和导通损耗低，其低反向恢复电荷产生最小的反向恢复损耗。

其中，NCP1654提供可编程的过流保护、欠压检测、过压保护、软启动、CCM、平均电流模式或峰值电流模式、可编程的过功率限制、浪涌电流检测。NCP1397提供精确度为3%的可调节的最小开关频率、欠压输入、1 A/0.5 A峰值汲/源电流驱动、基于计时器的过流保护(OCP)输入具自动恢复、可调节的从100 ns至2 μs的死区时间、可调节的软启动。NCP4304的关键特性包括具可调节阈值的精密的真正次级零电流检测、自动寄生电感补偿、从电流检测输入到驱动器的关断延迟40 ns、零电流检测引脚耐受电压达200 V、可选的超快触发输入、禁用引脚、可调的最小导通时间和最小关断时间、5 A/2.5 A峰值电流汲/源驱动能力、工作电压达30 V。

经过频谱分析仪和LISN测试，该设计的EMI符合EN55022B标准，并通过2.2 kV共模模式和1.1 kV 差分模式的浪涌测试。输入电压为115 Vac和230 Vac时，系统峰值效率分别超过95%和94%。该参考设计较现有采用硅的216 W电源参考设计减小25%的尺寸，提升2%的效率。

关于此参考设计的电路原理图、布板文档、物料单、设计提示及测试流程可于http://www.onsemi.cn/PowerSolutions/evalBoard.do?id=NCP1397GANGEVB下载。

总结

GaN超越硅，可实现更快速开关、更紧凑的尺寸、更高功率密度及更高的电源转换能效，适用于开关电源和其它在能效及功率密度至关重要的应用。高能效的电源转换有利于软开关电路拓扑结构回收能量，如相移全桥、半桥或全桥LLC、同步升压等。随着更多工程师熟悉GaN器件的优势，基于GaN的产品需求将快速增长。得益于技术的发展和市场的成长，将有望降低采用GaN的成本。安森美半导体凭借宽广的知识产权阵容和专长，结合功率转换专家Transphorm无与伦比的GaN知识，正工作于新的发展前沿，致力推进市场对GaN的广泛采纳。