硅功率MOSFET在電源轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的應(yīng)用

　　圖5b：開(kāi)關(guān)頻率為1.5MHz的48V至1V轉(zhuǎn)換波形。

　　圖5c：48V至0.5V轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器在任何VIN/VOUT比值時(shí)的開(kāi)關(guān)損耗。比較12V至1V轉(zhuǎn)換器就可以發(fā)現(xiàn)這種性能的顯著改善，見(jiàn)圖6。

　　圖6：對(duì)三種流行的負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器和采用EPC1014/EPC1015 GaN晶體管開(kāi)發(fā)的轉(zhuǎn)換器在VIN=12V和VOUT=1V、電流為5A和開(kāi)關(guān)頻率為600kHz時(shí)的功率損失比較。

　　隨著新的GaN晶體管快速涵蓋當(dāng)前功率MOSFET和IGBT的電流和電壓范圍，AC/DC轉(zhuǎn)換、同步整流和功率因素校正都將能實(shí)現(xiàn)明顯的性能提高。

　　D類(lèi)音頻放大器

　　D類(lèi)音頻放大器經(jīng)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(qū)時(shí)間和輸出濾波器的相移。

　　D類(lèi)音頻放大器有三種根據(jù)死區(qū)時(shí)間改變輸出脈寬的獨(dú)特操作模式。正向電感電流模式是基于高側(cè)開(kāi)關(guān)進(jìn)行整流，反向電感電流模式是基于低側(cè)開(kāi)關(guān)進(jìn)行整流，而雙向電流則基于每個(gè)開(kāi)關(guān)進(jìn)行整流。這些模式將死區(qū)時(shí)間分別設(shè)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(qū)時(shí)間長(zhǎng)短決定了與這種現(xiàn)象有關(guān)的失真度。有限開(kāi)關(guān)速度和體二極管前向電壓將進(jìn)一步增強(qiáng)這一效應(yīng)。增強(qiáng)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(shí)和非?？斓拈_(kāi)關(guān)速度。高精度的開(kāi)關(guān)允許更好地控制開(kāi)關(guān)情況，進(jìn)一步縮短死區(qū)時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)更低的失真。

　　輸出濾波器的尺寸和反饋增益由開(kāi)關(guān)頻率決定。在低開(kāi)關(guān)頻率時(shí)，必須使用大的濾波電容和電感，以便從想要的信號(hào)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(huì)造成相移，從而降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性，限制用于補(bǔ)償許多元件失真的反饋增益，最終影響系統(tǒng)的保真度。采用傳統(tǒng)硅MOSFET時(shí)開(kāi)關(guān)頻率非常有限，因?yàn)楣臅?huì)由于高開(kāi)關(guān)損耗而迅速上升。

　　GaN晶體管能夠同時(shí)提供低的RDS(ON)和低的柵極電荷(QG)，因此在數(shù)MHz范圍內(nèi)都能提供出色的效率。這時(shí)放大器可以使用更小值的濾波元件，從而減少它們對(duì)成本、尺寸和失真的影響，并允許更高的增益反饋，減小開(kāi)關(guān)放大器對(duì)失真的影響。是以增強(qiáng)型GaN晶體管可以給D類(lèi)應(yīng)用帶來(lái)明顯更高的保真度和更低的成本。

　　增強(qiáng)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(kāi)發(fā)電路的難易程度、與用戶(hù)熟悉的器件相比有多大的差異以及幫助用戶(hù)使用器件的工具可用性等。

　　新一代增強(qiáng)型GaN晶體管的行為與現(xiàn)有功率MOSFET非常相似，因此用戶(hù)可以充分利用已有的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。有兩個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域需要特別加以關(guān)注：較低的柵極電介強(qiáng)度(及在有限柵極漏電流于每毫米柵極寬度毫安數(shù)量級(jí))和較高的頻率響應(yīng)。這兩種差異中的第一種——較低柵極電介強(qiáng)度將隨著技術(shù)的成熟而不斷提高。同時(shí)，需要采取一定的措施消除工作區(qū)的靜電放電現(xiàn)象，并且設(shè)計(jì)電路時(shí)要保持VGS低于數(shù)據(jù)手冊(cè)中的最大值(8)。第二種差異——較高頻率響應(yīng)不僅是指階躍函數(shù)性能比以前任何硅器件要高，而且用戶(hù)在設(shè)計(jì)電路版圖時(shí)需要多加考慮。例如，少量的雜散寄生電感可能導(dǎo)致柵極至源極電壓發(fā)生較大的過(guò)沖現(xiàn)象，進(jìn)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(shí)際上在很寬范圍內(nèi)獨(dú)立于溫度(8)，導(dǎo)通電阻的溫度系數(shù)也比硅小得多(8,9)。

　　GaN晶體管也能夠在高達(dá)300℃的溫度下正常工作，但在125℃以上,PCB的焊接會(huì)影響實(shí)際應(yīng)用。因此第一款商用增強(qiáng)型器件的工作溫度最高為125℃。

　　表1從易用性的角度對(duì)硅功率MOSFET和EPC1001 GaN晶體管的基本特性作了較為完整的比較。

　　表1

　　易于使用的工具對(duì)新器件的易用性起了很大的作用。宜普公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一整套TSPICE器件模型供用戶(hù)下載使用(10)。圖7顯示了一個(gè)簡(jiǎn)單電路，并對(duì)實(shí)際器件性能和使用TSPICE模型仿真的結(jié)果作了比較。雖然還需要做多些使這些模型操作完善的工作，但第一代產(chǎn)品應(yīng)提供相當(dāng)可靠的電路性能預(yù)測(cè)，從而提高工程師的產(chǎn)能，縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。

　　圖7：電路圖及EPC1001 TSPICE仿真結(jié)果與實(shí)際測(cè)量的電路性能的波形圖比較。

　　多年來(lái)的應(yīng)用手冊(cè)和設(shè)計(jì)技巧匯集了工程師們的集體智慧和經(jīng)驗(yàn)。描述于上百種使用功率MOSFET的應(yīng)用, 已刊載于數(shù)千條的應(yīng)用筆記。GaN用戶(hù)可能要花幾年時(shí)間才能理解如此大量的知識(shí)，但是因?yàn)樵鰪?qiáng)型GaN晶體管和硅功率MOSFET之間的相似性，這些知識(shí)及經(jīng)驗(yàn)將繼續(xù)有效。是以指導(dǎo)用戶(hù)使用具有非凡特性的GaN的應(yīng)用筆記, 可從許多現(xiàn)有資料來(lái)源找到(11, 12)。

　　對(duì)用戶(hù)而言是否極具成本效益?

　　基于不同技術(shù)而制成的產(chǎn)品, 其成本比較需要慎重進(jìn)行。另外，如果供需失衡，產(chǎn)品價(jià)格就不能真實(shí)反映其成本。由于GaN功率晶體管市場(chǎng)還在發(fā)展的早期階段，因此最有意義的信息是在硅功率MOSFET和市場(chǎng)上第一代增強(qiáng)型晶體管之間的成本比較。

　　影響產(chǎn)品成本的基本因素有：

　　初始材料

　　外延生長(zhǎng)

　　晶圓制造

　　測(cè)試與裝配

　　為了便于分析，影響成本的其它因素如良率、工程成本、包裝和運(yùn)輸成本以及一般開(kāi)銷(xiāo)成本,在不同的技術(shù)下被設(shè)定為相同。

　　初始材料

　　硅基GaN器件一般在150mm基板上生產(chǎn)(未來(lái)產(chǎn)品將移植到200mm)，而這一領(lǐng)域中的許多制造商是在100mm至200mm的基板上生產(chǎn)功率MOSFET的。由于GaN器件使用標(biāo)準(zhǔn)的硅基板，因此與在相同直徑的初始材料上制造功率MOSFET相比, 成本不變。事實(shí)上，在150mm和200mm硅晶圓之間, 每單位面積的成本差別是很少，因此我們可以得出的結(jié)論是GaN在每片晶圓之起始材料方面，就不存在真正的成本差異。如果考慮到具有相同電流承載能力的GaN器件面積比硅器件小，那么GaN每個(gè)功能的成本會(huì)更低。

　　外延生長(zhǎng)

　　硅外延生長(zhǎng)是一種成熟技術(shù)，許多公司都制造高效率和自動(dòng)化的機(jī)器。MOCVD GaN設(shè)備至少有兩個(gè)來(lái)源，即美國(guó)的Veeco (13)和德國(guó)的Aixtron (14)。這兩家公司都制造功能強(qiáng)大且可靠的機(jī)器，這些機(jī)器的主要用途就是發(fā)光二極管制造中使用的GaN外延生長(zhǎng)。沒(méi)有一臺(tái)機(jī)器針對(duì)硅基GaN外延優(yōu)化過(guò)，也沒(méi)有硅機(jī)器中常見(jiàn)的自動(dòng)化水平。因此，硅基GaN外延要比目前的硅外延較為昂貴。