氮化镓(GaN)是一种新兴的半导体工艺技术,提供超越硅的多种优势,被称为第三代半导体材料,用于电源系统的设计如功率因数校正(PFC)、软开关 DC-DC、各种终端应用如电源适配器、光伏逆变器或太阳能逆变器、服务器及通信电源等,可实现硅器件难以达到的更高电源转换效率和更高的功率密度水平,为开关电源和其它在能效及功率密度至关重要的应用带来性能飞跃。

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。

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。