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功率MOSFET作為雙極晶體管的替代品最早出現于1976年。與那些少數載流子器件相比，這些多數載流子器件速度更快、更堅固，并且具有更高的電流增益。因此開關型電源轉換技術得以真正商用化。早期臺式電腦的AC/DC開關電源是最早使用功率MOSFET的批量消費產品之一，隨后出現了變速電機驅動、熒光燈、DC/DC轉換器等數千種如今已經深入我們日常生活的其它應用。 國際整流器公司于1978年11月推出的IRF100是最早的功率MOSFET器件之一。這種器件具有100V的漏極-源極擊穿電壓和0.1Ω的導通電阻，樹立了那個時代的基準。由于裸片尺寸超過40mm2，價格高達34美元，因此這種產品沒有立即廣泛地替代傳統的雙極晶體管。 多年來許多制造商持續推出了許多代功率MOSFET產品。30年多來，基準基本上每年都會更新。至寫這篇文章時，100V基準公認為是英飛凌的IPB025N10N3G所保持。與IRF100的4Ω–mm2品質因數(FOM)相比(1)，IPB025N10N3G的FOM不到0.1Ω–mm2。這個值幾乎已經達到硅器件的理論極限(2)。 不過改進仍在持續。例如，CoolMOS器件和IGBT的導通性能已經超過了簡單垂直型多數載流子MOSFET的理論極限。這些創新在相當長一段時間內可能還會繼續，并且會充分利用功率MOSFET的低成本結構和訓練有素的設計師，而這些設計師經過多年實踐后已經學會如何有效發掘電源轉換電路和系統的性能。 1 開啟GaN新時代 HEMT(高電遷移率晶體管)GaN晶體管最早出現于2004年左右，當時日本的Eudyna公司推出了一種耗盡型射頻晶體管。通過在碳化硅基板上使用GaN，Eudyna公司成功生產出為射頻市場設計的晶體管(3)。HEMT結構基于的是1975年最先由T Mimura et al (4)描述，并且在1994年再次由M. A. Khan et al (5)描述的一種現象，這種現象展示了接近AlGaN和GaN異質結構界面之間接口處異常高的電遷移率。將這種現象應用于碳化硅上生長的氮化鎵，Eudyna公司成功生產出在數兆赫茲頻率范圍內的基準功率增益。2005年，Nitronex公司推出第一種耗盡型射頻HEMT晶體管，這種晶體管利用硅基上生成的GaN(6)晶圓制造，采用的是公司自己的SIGANTIC?技術(7)。 隨著另外幾家公司參與市場，GaN射頻晶體管在射頻應用領域繼續闊步前進。但這個市場之外的接受性非常有限，主要原因是器件成本和耗盡型操作的不方便。 于2009年6月，宜普公司推出了首款增強型硅基GaN功率晶體管，這種晶體管專門設計用于替代功率MOSFET。這些產品可以使用標準硅制造技術和設備低成本地大批量生產, 其結構比較簡單，見圖1。 圖1：硅基GaN器件具有與橫向型DMOS器件類似的非常簡單結構，可以在標準CMOS代工廠制造。 2 突破屏障 30年的硅功率MOSFET歷史告訴我們，控制突破性技術的普及率有四大關鍵因素： 1.這種技術能否支持重大的新功能? 2.這種技術是否容易使用? 3.這種技術對用戶來說是否極具成本效益? 4.這種技術是否可靠? 在接下來的章節中我們將根據上述四條準則展開討論能夠替代主流硅功率MOSFET的硅基板GaN功率晶體管之現狀。然后我們會進一步了解GaN的近期開發計劃，并預測它們對電源轉換行業的影響。 3 GaN功率晶體管支持的新功能 增強型GaN HEMT器件(eHEMT) 能支持的最大新功能是開關性能和整個器件帶寬的突破性改善(見圖2)。GaN擁有比硅高得多的關鍵電場，因此這種新器件的漏極至源極之間可以承受高得多的電壓，而對導通電阻的負面影響卻很小。 圖2：宜普公司增強型GaN功率晶體管的增益與頻率關系曲線。 在功率MOSFET中，在器件從導通到關斷(或從關斷到導通狀態)所需的器件傳導率和電荷數量之間需要做一個基本的權衡。從這種權衡可以推導出稱為RQ乘積的品質因數。這個指標被定義為器件的導通電阻乘以在正常工作電壓和電流條件下開關器件所必需的向柵極提供的總電荷量。事實表明，這一指標的改善有助于提高高頻DC/DC轉換器的轉換效率。RQ的絕對值一般也反映了實際電路中可以實現的最小脈寬。雖然過去幾年中RQ乘積得到了很大的改善，但硅功率MOSFET的品質因數仍未真正接近市場上已經推出的第一代eHEMT器件。圖3對額定電壓為100V和200V的基準硅器件和GaN器件作了比較。 圖3：100V和200V的基準硅功率MOSFET和GaN的RQ乘積比較。 3.1 DC/DC轉換器 能夠快速開關并且沒有太多功率損失意味著用戶在電源轉換電路中可以采用更小的脈沖寬度。需要這種能力的一種重要新興應用是非隔離型DC/DC轉換器。硅功率MOSFET的基本極限性能限制了單級非隔離型降壓轉換器的指標，其實際的輸入電壓與輸出電壓之比最大值只能達到10:1。除了這個比值外，降壓電路頂端晶體管要求的短脈寬也將導致不可接受的高開關損耗和由此引起的低轉換效率。GaN晶體管完全打破了這一性能框架，如圖4和圖5所示。 圖4：不同輸入電壓下降壓轉換器效率與電流的關系。這種轉換器中的頂部和底部晶體管用的都是單路100V EPC1001。對于硅器件來說，輸入輸出電壓比超過10:1通常被認為是不可能實現的。 圖5a：在降壓拓撲中使用EPC1001晶體管實現的300kHz 48V至1V轉換波形。 圖5b：開關頻率為1.5MHz的48V至1V轉換波形。 圖5c：48V至0.5V轉換波形。 GaN除了能增加VIN/VOUT比值范圍外，還能顯著降低降壓轉換器在任何VIN/VOUT比值時的開關損耗。比較12V至1V轉換器就可以發現這種性能的顯著改善，見圖6。 圖6：對三種流行的負載點轉換器和采用EPC1014/EPC1015 GaN晶體管開發的轉換器在VIN=12V和VOUT=1V、電流為5A和開關頻率為600kHz時的功率損失比較。 隨著新的GaN晶體管快速涵蓋當前功率MOSFET和IGBT的電流和電壓范圍，AC/DC轉換、同步整流和功率因素校正都將能實現明顯的性能提高。 3.2 D類音頻放大器 D類音頻放大器經常面臨著成本、體積和聲音失真之間的折衷考慮。影響失真的最大因素是死區時間和輸出濾波器的相移。 D類音頻放大器有三種根據死區時間改變輸出脈寬的獨特操作模式。正向電感電流模式是基于高側開關進行整流，反向電感電流模式是基于低側開關進行整流，而雙向電流則基于每個開關進行整流。這些模式將死區時間分別設置在上升沿、下降沿或既不是上升沿也不是下降沿的地方。死區時間長短決定了與這種現象有關的失真度。有限開關速度和體二極管前向電壓將進一步增強這一效應。增強型GaN晶體管具有非常低的柵極電荷，因此具有非常短的延時和非常快的開關速度。高精度的開關允許更好地控制開關情況，進一步縮短死區時間，從而實現更低的失真。 輸出濾波器的尺寸和反饋增益由開關頻率決定。在低開關頻率時，必須使用大的濾波電容和電感，以便從想要的信號中消除載波頻率。大值的濾波元件不僅增加了放大器的成本和尺寸，還會造成相移，從而降低系統的穩定性，限制用于補償許多元件失真的反饋增益，最終影響系統的保真度。采用傳統硅MOSFET時開關頻率非常有限，因為功耗會由于高開關損耗而迅速上升。 GaN晶體管能夠同時提供低的RDS(ON)和低的柵極電荷(QG)，因此在數MHz范圍內都能提供出色的效率。這時放大器可以使用更小值的濾波元件，從而減少它們對成本、尺寸和失真的影響，并允許更高的增益反饋，減小開關放大器對失真的影響。是以增強型GaN晶體管可以給D類應用帶來明顯更高的保真度和更低的成本。 4 增強型GaN晶體管易于使用嗎? 器件是否容易使用取決于多方面因素，包括使用者技能、待開發電路的難易程度、與用戶熟悉的器件相比有多大的差異以及幫助用戶使用器件的工具可用性等。 新一代增強型GaN晶體管的行為與現有功率MOSFET非常相似，因此用戶可以充分利用已有的設計經驗。有兩個關鍵領域需要特別加以關注：較低的柵極電介強度(及在有限柵極漏電流于每毫米柵極寬度毫安數量級)和較高的頻率響應。這兩種差異中的第一種——較低柵極電介強度將隨著技術的成熟而不斷提高。同時，需要采取一定的措施消除工作區的靜電放電現象，并且設計電路時要保持VGS低于數據手冊中的最大值(8)。第二種差異——較高頻率響應不僅是指階躍函數性能比以前任何硅器件要高，而且用戶在設計電路版圖時需要多加考慮。例如，少量的雜散寄生電感可能導致柵極至源極電壓發生較大的過沖現象，進而有可能損壞器件。 另一方面，也有幾種特性使得這些器件比它們的前代硅器件更加容易使用。例如，閾值電壓實際上在很寬范圍內獨立于溫度(8)，導通電阻的溫度系數也比硅小得多(8,9)。 GaN晶體管也能夠在高達300℃的溫度下正常工作，但在125℃以上,PCB的焊接會影響實際應用。因此第一款商用增強型器件的工作溫度最高為125℃。 |
