安森美半導(dǎo)體推進(jìn)更快、更智能和更高能效的GaN晶體管
氮化鎵(GaN)是一種新興的半導(dǎo)體工藝技術(shù),提供超越硅的多種優(yōu)勢(shì),被稱為第三代半導(dǎo)體材料,用于電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)如功率因數(shù)校正(PFC)、軟開關(guān)DC-DC、各種終端應(yīng)用如電源適配器、光伏逆變器或太陽能逆變器、服務(wù)器及通信電源等,可實(shí)現(xiàn)硅器件難以達(dá)到的更高電源轉(zhuǎn)換效率和更高的功率密度水平,為開關(guān)電源和其它在能效及功率密度至關(guān)重要的應(yīng)用帶來性能飛躍。
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201604/290523.htmGaN的優(yōu)勢(shì)
從表1可見,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,這意味著開關(guān)過程的反向恢復(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,高開關(guān)頻率可減少濾波器和無源器件如變壓器、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)換專家Transphorm就此合作,共同開發(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 μC和0.054 μC,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GaN的優(yōu)勢(shì)將會(huì)越來越明顯。
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,通過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的閾值電壓和門極電荷決定;
3. 高可靠性:通過長(zhǎng)期應(yīng)用級(jí)測(cè)試,且符合JEDEC行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(通過標(biāo)準(zhǔn)為:0個(gè)擊穿、最終的漏電流低于規(guī)格門限、導(dǎo)通阻抗低于規(guī)格門限)。
PFC能效測(cè)試曲線
在許多現(xiàn)有電路拓?fù)渲?,Cascode 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門極電壓,因而無需特別的驅(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)于硬開關(guān)橋式電路,使用磁珠而不是門極電阻,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,并通過適當(dāng)?shù)纳岽_保熱性能,并行化可通過匹配門極驅(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越輕薄,要求更輕和更小的電源轉(zhuǎn)換器,這通常通過提高開關(guān)頻率來實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)Si MOSFET在高頻工作下的開關(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提供可編程的過流保護(hù)、欠壓檢測(cè)、過壓保護(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。
總結(jié)
GaN超越硅,可實(shí)現(xiàn)更快速開關(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)陣容和專長(zhǎng),結(jié)合功率轉(zhuǎn)換專家Transphorm無與倫比的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。
評(píng)論