氮化镓(GaN)解决方案如何实现更高的能源效率？

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文：英飞凌科技股份公司氮化镓应用业务部门Eric Persson

如今，消费者希望手机、电动汽车（EV）或电动工具等的电池工作时间更长、充电速度更快，这推动了对高性能、低成本的功率转换产品的需求。此外，消费者希望由超大规模数据中心、电信服务器场，以及即将到来的与人们的日常生活环境融为一体的5G通信信号发射塔等组成的庞大网络，以低廉的成本提供速度更快的数据通信和强大的人工智能（AI）功能。要实现高性能，同时降低这些应用的前期投入和运行成本，核心关键在于借助高级功率电子产品，对市电电压进行多级处理，从而高效且经济划算地为各类设备供电。

多年来，这样的进步源于持续创新，造就了各种高低压硅功率晶体管家族，推动技术不断更新换代，给我们带来一个又一个惊喜。现在，英飞凌沿着这条创新之路继续前行，在全球顶尖电子元器件行业盛会——2018年德国慕尼黑电子展——上，发布600 V氮化镓功率晶体管家族，以及有关驱动IC。本文介绍了氮化镓产品及其优越性，并通过应用实例阐述了氮化镓产品如何以最低系统成本，可靠地实现超高能效。

氮化镓是什么，它的工作原理是什么？

氮化镓（GaN）是一种宽带隙半导体材料，它与碳化硅（SiC）同属一类。如果可以生长出大直径单晶氮化镓来制造可供加工的晶圆，那么，我们就可以像如今制造碳化硅MOSFET那样，采用类似方式生产出垂直晶体管。但事实证明，生长氮化镓衬底极其困难。相反，更为高效的做法是，采用易于获得且价格低廉的硅晶圆作为衬底，通过外延生长氮化镓来生产出名为高电子迁移率晶体管（HEMT）的横向晶体管。

图1所示为基于这种结构的CoolGaN™晶体管的横截面。由于氮化镓和硅具有不同的晶格常数和热膨胀系数，因此首先生长出专有过渡层，为生长氮化镓层提供适当的基底。在氮化镓层与氮化铝镓层之间的界面上，形成了一层名为二维电子气（2DEG）的自由电子。2DEG的电子迁移率非常高，可实现优良的导电性。可以添加漏极和源极触点，并采用栅极结构来实现局部电场，以耗尽或增强2DEG，从而在根本上接通或关断2DEG。栅极使用p型掺杂氮化镓，可使之成为增强型器件，而非耗尽型器件——换句话说，它处于常闭状态，栅极阈值约为+1.4V。

请注意图中栅极结构上的二极管。钛栅极金属与p型氮化镓以这种方式相结合，构成一个在栅极和源极之间的电阻和二极管的串联结构。这个二极管的正向拐点电压约为3.5 V。不仅如此，氮化镓晶体管上单片集成了3个串联氮化镓保护二极管，以保护栅极不受静电放电（ESD）影响。当VGS负值超过-10 V时，这些ESD二极管将起钳位作用。通过这种方式，集成二极管将在正向和反向两个方向上对CoolGaN™的栅极电压起到自钳位作用，从而大幅提高栅极的可靠性、耐用性和对电压尖峰的耐受能力。竞争对手的增强模式氮化镓结构采用的一般是肖特基栅极触点，这样会导致失去氮化镓二极管的钳位功能。所以，竞争对手器件必须利用外接电路来控制和抑制栅极电压瞬变，以免损害肖特基栅极，导致故障。图1还显示了p型氮化镓“混合漏极”结构，它可有效控制陷阱电荷，从而减轻动态RDS(on)变化，这个问题让竞争对手的氮化镓晶体管设计方案备受困扰。

CoolGaN™的另一个关键竞争优势，是它提高了饱和电流能力，特别是在最高温度（150°C）下，这一点尤为重要。图2比较了额定值为70 mΩ的CoolGaN™晶体管与竞争对手的额定值为650 V、50 mΩ的晶体管。[2] 哪怕被驱动至最高推荐栅极电压6 V时，竞争对手的氮化镓晶体管的额定最大电流仅为25 A。与之形成对照的是，CoolGaN™器件不仅可以在整个电流范围内实现更低RDS(on)，并且额定漏电流最大值为35 A，比市场上的其他器件高40%。这种峰值电流处理能力至关重要，因为许多应用都要求器件在瞬变高电流状态（如，启动、电源瞬间断电、雷击瞬态、短路故障，等等）下保持正常运行/不受影响。英飞凌CoolGaN™兼具结实耐用的栅极结构和更高峰值电流处理能力，堪称当今市场上最结实耐用且性能可靠的氮化镓功率晶体管。

驱动氮化镓器件——驱动栅极的不同之处是什么？

如前文所述，CoolGaN™栅极具有自钳位功能，正向电压约为3.5 V。因此，并非以固定电压驱动栅极-源极，而是最好以电流源驱动栅极，由此产生的栅极电压将与二极管特性相一致。对于上文描述的70 mΩ器件，它的典型稳态栅极电流约为10 mA。但是，为了快速给栅极电容充电，需要更高脉冲电流持续约20 ns。一个二级电流源驱动器可以做到这一点，更为简单的解决方案是使用常规栅极驱动器和RC网络（而不是传统R）连接至栅极，如图3所示。利用这种简单电路，可以使用常规12 V栅极驱动器来驱动氮化镓栅极。RC网络不仅可以提供必要的峰值电流脉冲，以实现快速接通，它还可以充电至VCC – VGS，这样的充电将导致关断时发生栅极负偏压。实际应用上，负偏压颇有益处。当器件快速开通或是关闭时，漏极上的快速dv/dt导致寄生栅极误导通的情况（因栅极-漏极电容注入电流而引起C dv/dt感应导通）。负偏压可以减少漏极电容注入电流时引起的漏记电压上升，栅极负偏压可以利用固定负电源提供给由固定负电源提供给栅极驱动器，或负偏压由RC网络中的电容提供。

驱动氮化镓器件——驱动栅极的不同之处是什么？

如前文所述，CoolGaN™栅极具有自钳位功能，正向电压约为3.5 V。因此，并非以固定电压驱动栅极-源极，而是最好以电流源驱动栅极，由此产生的栅极电压将与二极管特性相一致。对于上文描述的70 mΩ器件，它的典型稳态栅极电流约为10 mA。但是，为了快速给栅极电容充电，需要更高脉冲电流持续约20 ns。一个二级电流源驱动器可以做到这一点，更为简单的解决方案是使用常规栅极驱动器和RC网络（而不是传统R）连接至栅极，如图3所示。利用这种简单电路，可以使用常规12 V栅极驱动器来驱动氮化镓栅极。RC网络不仅可以提供必要的峰值电流脉冲，以实现快速接通，它还可以充电至VCC – VGS，这样的充电将导致关断时发生栅极负偏压。实际应用上，负偏压颇有益处。当器件快速开通或是关闭时，漏极上的快速dv/dt导致寄生栅极误导通的情况（因栅极-漏极电容注入电流而引起C dv/dt感应导通）。负偏压可以减少漏极电容注入电流时引起的漏记电压上升，栅极负偏压可以利用固定负电源提供给由固定负电源提供给栅极驱动器，或负偏压由RC网络中的电容提供。

但是，恒定栅极负偏压却有一个弊端：当氮化镓晶体管在高侧导通与低侧导通之间的死区时间实现反向导通时，有效电压下降约为2 V加上栅极负偏压。所以，为减少在第三象限导通（二极管模式）的功率耗散，可取的做法是仅使用确保栅极完全关断所必需的最小负偏压，。理想情况下，死区时间结束之后，VGS将恢复至零。

于是，全新英飞凌1EDF5673 EiceDRIVER™隔离栅极驱动器应运而生。1EDF5673及其1EDS封装型号均采用独一无二的三电平栅极驱动解决方案，如图4所示，图5所示为其波形。这个新的驱动器是英飞凌提供的速度最快的隔离驱动器之一，它的传播时延仅为13 ns（时延为-6/+7 ns），它可实现必要高精度驱动器定时，能够满足高频应用的死区时间控制要求。除此之外，这个驱动器的共模瞬变抗扰度（CMTI）>200 V/ns，可以应对氮化镓晶体管所能实现的高开关速度。这个驱动器工作时采用单电源电压，但可由RC电容临时提供负栅极驱动，和在启动或突发模式下反向输出。其他情况下，栅极电压将恢复至零，以优化氮化镓第三象限导通。利用TNEG输入引脚上的电阻，可以调节负驱动持续时间。这些运行模式可以防止误开通，提供速度、性能和安全性的最佳组合，优于当今市场上的所有其他氮化镓栅极驱动器。为了支持更加小巧的电路板布局，不仅必须实现功能隔离，这个驱动器还包括5x5 mm LGA封装型号和16引脚窄体DSO封装型号，以及16引脚宽体DSO封装型号，完全可支持UL/VDE安全隔离。

应用——氮化镓可为哪些应用带来最优性能：

对于任何功率电子设计工程师而言，他们的第一反应是尝试用新的氮化镓器件来取代现有的CoolMOS™，以检验其性能优势。但他们往往大失所望，因为氮化镓器件仅仅降低了部分的开关损耗。其原因何在？为什么将氮化镓器件直接用于现有电路设计并不一定能实现大幅优化？这是因为，这些通常使用CoolMOS™的电路往往是单向拓扑，如传统的boost PFC、单端反激式变换器或双晶体管正激式变换器。这些拓扑的一个共同点是，晶体管仅正向导通。这样一来，体二极管性能变得无关紧要，因为晶体管从不[JW(1] 在第三象限导通。也就是说，除RDS(on)之外，真正重要的参数只有开通损耗EOSS和开关速度，在这方面，氮化镓器件的[JW(2] 一点优势算不上益处——CoolMOS™已经是一项经实践检验的成熟技术，在这些应用中有非常好的表现。

那么，如果单极拓扑不合适，那么，氮化镓可以在哪些应用中发挥最大优势呢？一般认为，氮化镓器件在高频应用中能够充分体现其优越性。然而，在基于半桥的拓扑中，哪怕在中等运行频率下，如65 kHz，氮化镓器件亦可实现优异能效。图6所示为英飞凌提供的2.5 kW氮化镓PFC参考设计中使用的全桥图腾柱PFC拓扑。

在连续导通模式（CCM）下工作时，晶体管Q1和Q2在硬换向导通状态下交替用作升压开关和同步整流管。如果采用常规高压硅功率晶体管作为Q1和Q2，那么，其寄生体二极管的反向恢复特性将引起严重的开关损耗，导致器件毁坏。但是，氮化镓晶体管具有零反向恢复损耗，因为沟道导通时没有少数载流子。所以，开关损耗相当低，特别是输出电容和有关能耗低于任何竞争性晶体管技术。

得益于其极低损耗，图6所示PFC电路可以在其大部分输出功率范围内实现99%以上的能效，如图7实测能效曲线所示。峰值能效高达99.3%，令人叹为观止，这表示，当输出功率为1 kW时，损耗仅为7瓦特。这个PFC电路是英飞凌提供的实际参考设计，它符合所有标准PFC要求，包括EN5022传导电磁干扰、电源瞬间断电和雷击浪涌测试等。

总而言之，英飞凌新推出的CoolGaN™系列是当今市场上最结实耐用的600 V高性能氮化镓晶体管。结合英飞凌的无芯变压器隔离EiceDRIVER™栅极驱动器家族，功率电子工程师现在可以经济划算地打造出前所未有的高性能功率转换器，大大优于利用常规硅晶体管所能实现的性能。

编辑于 2018-11-30