第三代半導(dǎo)體材料——氮化鎵(GaN),，作為時(shí)下新興的半導(dǎo)體工藝技術(shù),，提供超越硅的多種優(yōu)勢(shì)。與硅器件相比,，GaN在電源轉(zhuǎn)換效率和功率密度上實(shí)現(xiàn)了性能的飛躍,，廣泛應(yīng)用于功率因數(shù)校正(PFC)、軟開(kāi)關(guān)DC-DC等電源系統(tǒng)設(shè)計(jì),，以及電源適配器,、光伏逆變器或太陽(yáng)能逆變器,、服務(wù)器及通信電源等終端領(lǐng)域。為了滿足市場(chǎng)對(duì)GaN的需求,，安森美半導(dǎo)體與Transphorm聯(lián)合推出第一代Cascode GaN,，共同推動(dòng)GaN市場(chǎng)的發(fā)展。

　　GaN的優(yōu)勢(shì)

　　從表1可見(jiàn),，GaN具備出色的擊穿能力,、更高的電子密度及速度，和更高的工作溫度,。GaN提供高電子遷移率,，這意味著開(kāi)關(guān)過(guò)程的反向恢復(fù)時(shí)間可忽略不計(jì)，因而表現(xiàn)出低損耗并提供高開(kāi)關(guān)頻率,，而低損耗加上寬帶寬器件的高結(jié)溫特性,，可降低散熱量，高開(kāi)關(guān)頻率可減少濾波器和無(wú)源器件如變壓器,、電容,、電感等的使用，最終減小系統(tǒng)尺寸和重量,，提升功率密度,，有助于設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)緊湊的高能效電源方案。同為寬帶寬器件,，GaN比SiC的成本更低，更易于商業(yè)化和具備廣泛采用的潛力,。

　　表1：半導(dǎo)體材料關(guān)鍵特性一覽

　　安森美半導(dǎo)體與Transphorm聯(lián)合推出第一代Cascode GaN

　　GaN在電源應(yīng)用已證明能提供優(yōu)于硅基器件的重要性能優(yōu)勢(shì),。安森美半導(dǎo)體和功率轉(zhuǎn)換專(zhuān)家Transphorm就此合作，共同開(kāi)發(fā)及共同推廣基于GaN的產(chǎn)品和電源系統(tǒng)方案,，用于工業(yè),、計(jì)算機(jī)、通信,、LED照明及網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的各種高壓應(yīng)用,。去年，兩家公司已聯(lián)名推出600 V GaN 級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)(Cascode)晶體管NTP8G202N和NTP8G206N,，兩款器件的導(dǎo)通電阻分別為290 m?和150 m?,，門(mén)極電荷均為6.2 nC，輸出電容分別為36 pF和56 pF,，反向恢復(fù)電荷分別為0.029 ?C和0.054 ?C,，采用優(yōu)化的TO-220封裝，易于根據(jù)客戶現(xiàn)有的制板能力而集成,。

　　基于同一導(dǎo)通電阻等級(jí),，第一代600 V硅基GaN(GaN-on-Si)器件已比高壓硅MOSFET提供好4倍以上的門(mén)極電荷,、更好的輸出電荷、差不多的輸出電容和好20倍以上的反向恢復(fù)電荷,，并將有待繼續(xù)改進(jìn),，未來(lái)GaN的優(yōu)勢(shì)將會(huì)越來(lái)越明顯。

　　表2：第一代600 V GaN-on-Si HEMT 與高壓MOSFET比較

　　Cascode相當(dāng)于由GaN HEMT和低壓MOSFET組成：GaN HEMT可承受高電壓,，過(guò)電壓能力達(dá)到750 V,，并提供低導(dǎo)通電阻，而低壓MOSFET提供低門(mén)極驅(qū)動(dòng)和低反向恢復(fù),。HEMT是高電子遷移率晶體管的英文縮寫(xiě),，通過(guò)二維電子氣在橫向傳導(dǎo)電流下進(jìn)行傳導(dǎo)。

　圖1：GaN內(nèi)部架構(gòu)及級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)

　　使用600 V GaN Cascode的三大優(yōu)勢(shì)是：

　　1. 具有卓越的體二極管特性：級(jí)聯(lián)建立在低壓硅技術(shù)上,，且反向恢復(fù)特別低;

　　2. 容易驅(qū)動(dòng)：設(shè)計(jì)人員可使用像普通MOSFET一樣的傳統(tǒng)門(mén)極驅(qū)動(dòng)器,，采用電壓驅(qū)動(dòng)，且驅(qū)動(dòng)由低壓硅MOSFET的閾值電壓和門(mén)極電荷決定,；

　　3. 高可靠性：通過(guò)長(zhǎng)期應(yīng)用級(jí)測(cè)試,，且符合JEDEC行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)為：0個(gè)擊穿、最終的漏電流低于規(guī)格門(mén)限,、導(dǎo)通阻抗低于規(guī)格門(mén)限),。

　　PFC能效測(cè)試曲線

　　在許多現(xiàn)有電路拓?fù)渲校珻ascode GaN比Si提供更高能效,。如圖2所示,，在連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM)升壓PFC拓?fù)渲校?00 KHz和120 Vac輸入的條件下,，Cascode GaN較超結(jié)合Si(SJ Si)提升近1%的效率,，隨著頻率的升高，GaN的優(yōu)勢(shì)更為明顯,。

　　圖2：CCM 升壓PFC 在200 kHz 和120 Vac 輸入.

　　采用GaN還使得圖騰柱(Totem Pole)電路成為可能,，較傳統(tǒng)CCM升壓PFC提供更高能效。

　　圖3：傳統(tǒng)CCM升壓FPC vs. 圖騰柱電路

　　設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

　　采用GaN設(shè)計(jì)電源時(shí),，為降低系統(tǒng)EMI,，需考慮幾個(gè)關(guān)鍵因素：首先，對(duì)于Cascode結(jié)構(gòu)的GaN,，閾值非常穩(wěn)定地設(shè)定在2 V,，即5 V導(dǎo)通， 0 V關(guān)斷,，且提供± 18 V門(mén)極電壓,，因而無(wú)需特別的驅(qū)動(dòng)器。其次,，布板很重要,，盡量以短距離,、小回路為原則，以最大限度地減少元件空間,，并分開(kāi)驅(qū)動(dòng)回路和電源回路,，而且需使用解調(diào)電容。對(duì)于硬開(kāi)關(guān)橋式電路,，使用磁珠而不是門(mén)極電阻,，不要用反向二極管，使用解調(diào)母線電容,。

　　此外,，必須使用浪涌保護(hù)器件，并通過(guò)適當(dāng)?shù)纳岽_保熱性能,，并行化可通過(guò)匹配門(mén)極驅(qū)動(dòng)和電源回路阻抗完成,，當(dāng)以單個(gè)點(diǎn)連接時(shí)，要求電源和信號(hào)元件獨(dú)立接地,。

　　示例：利用GaN設(shè)計(jì)12 V/20 A 一體化工作站電源

　　一體化工作站正變得越來(lái)越輕薄,，要求更輕和更小的電源轉(zhuǎn)換器，這通常通過(guò)提高開(kāi)關(guān)頻率來(lái)實(shí)現(xiàn),。傳統(tǒng)Si MOSFET在高頻工作下的開(kāi)關(guān)和驅(qū)動(dòng)損耗是一個(gè)關(guān)鍵制約因素,。GaN HEMT提供較傳統(tǒng)MOSFET更低的門(mén)極電荷和導(dǎo)通電阻，從而實(shí)現(xiàn)高頻條件下的更高電源轉(zhuǎn)換能效,。

　　演示板設(shè)計(jì)為240 W通用板,，它輸出20 A的負(fù)載電流和12 V輸出電壓，功率因數(shù)超過(guò)98%,，滿載時(shí)總諧波失真(THD)低于17%,。電源轉(zhuǎn)換器前端采用功率因數(shù)校正(PFC) IC，將AC轉(zhuǎn)換為調(diào)節(jié)的385 V DC總線電壓,。升壓轉(zhuǎn)換器中的電感電流工作于CCM。升壓PFC段采用安森美半導(dǎo)體的NCP1654控制器,。次級(jí)是隔離的DC-DC轉(zhuǎn)換器,，將385 V DC總線電壓轉(zhuǎn)換為12 V DC輸出電壓。隔離的DC-DC轉(zhuǎn)換通過(guò)采用LLC諧振拓?fù)鋵?shí)現(xiàn),。次級(jí)端采用同步整流以提供更高能效,。LLC電源轉(zhuǎn)換器采用安森美半導(dǎo)體的NCP1397，提供97%的滿載效率,，而同步整流驅(qū)動(dòng)器是NCP4304,。NCP432用于反饋路徑以調(diào)節(jié)輸出電壓。演示板采用GaN HEMT作為PFC段和LLC段原邊的開(kāi)關(guān),，提供0.29 m?的低導(dǎo)通電阻和> 100 V/ns 的高dv/dt,，因而導(dǎo)致開(kāi)關(guān)和導(dǎo)通損耗低,，其低反向恢復(fù)電荷產(chǎn)生最小的反向恢復(fù)損耗。

　　其中,，NCP1654提供可編程的過(guò)流保護(hù),、欠壓檢測(cè)、過(guò)壓保護(hù),、軟啟動(dòng),、CCM、平均電流模式或峰值電流模式,、可編程的過(guò)功率限制,、浪涌電流檢測(cè)。NCP1397提供精確度為3%的可調(diào)節(jié)的最小開(kāi)關(guān)頻率,、欠壓輸入,、1 A/0.5 A峰值汲/源電流驅(qū)動(dòng)、基于計(jì)時(shí)器的過(guò)流保護(hù)(OCP)輸入具自動(dòng)恢復(fù),、可調(diào)節(jié)的從100 ns至2 μs的死區(qū)時(shí)間,、可調(diào)節(jié)的軟啟動(dòng)。NCP4304的關(guān)鍵特性包括具可調(diào)節(jié)閾值的精密的真正次級(jí)零電流檢測(cè),、自動(dòng)寄生電感補(bǔ)償,、從電流檢測(cè)輸入到驅(qū)動(dòng)器的關(guān)斷延遲40 ns、零電流檢測(cè)引腳耐受電壓達(dá)200 V,、可選的超快觸發(fā)輸入,、禁用引腳、可調(diào)的最小導(dǎo)通時(shí)間和最小關(guān)斷時(shí)間,、5 A/2.5 A峰值電流汲/源驅(qū)動(dòng)能力,、工作電壓達(dá)30 V。

　　經(jīng)過(guò)頻譜分析儀和LISN測(cè)試,，該設(shè)計(jì)的EMI符合EN55022B標(biāo)準(zhǔn),，并通過(guò)2.2 kV共模模式和1.1 kV 差分模式的浪涌測(cè)試。輸入電壓為115 Vac和230 Vac時(shí),，系統(tǒng)峰值效率分別超過(guò)95%和94%,。該參考設(shè)計(jì)較現(xiàn)有采用硅的216 W電源參考設(shè)計(jì)減小25%的尺寸，提升2%的效率,。

　　關(guān)于此參考設(shè)計(jì)的電路原理圖,、布板文檔、物料單,、設(shè)計(jì)提示及測(cè)試流程可于http://www.onsemi.cn/PowerSolutions/evalBoard.do?id=NCP1397GANGEVB下載,。

　　總結(jié)

　　GaN超越硅，可實(shí)現(xiàn)更快速開(kāi)關(guān),、更緊湊的尺寸,、更高功率密度及更高的電源轉(zhuǎn)換能效,，適用于開(kāi)關(guān)電源和其它在能效及功率密度至關(guān)重要的應(yīng)用。高能效的電源轉(zhuǎn)換有利于軟開(kāi)關(guān)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)回收能量,，如相移全橋,、半橋或全橋LLC、同步升壓等,。隨著更多工程師熟悉GaN器件的優(yōu)勢(shì),，基于GaN的產(chǎn)品需求將快速增長(zhǎng)。得益于技術(shù)的發(fā)展和市場(chǎng)的成長(zhǎng),，將有望降低采用GaN的成本,。安森美半導(dǎo)體憑借寬廣的知識(shí)產(chǎn)權(quán)陣容和專(zhuān)長(zhǎng)，結(jié)合功率轉(zhuǎn)換專(zhuān)家Transphorm無(wú)與倫比的GaN知識(shí),，正工作于新的發(fā)展前沿,，致力推進(jìn)市場(chǎng)對(duì)GaN的廣泛采納。