硅功率MOSFET在電源轉換領(lǐng)域的應用

　功率MOSFET作為雙極晶體管的替代品最早出現于1976年。與那些少數載流子器件相比，這些多數載流子器件速度更快、更堅固，并且具有更高的電流增益。因此開(kāi)關(guān)型電源轉換技術(shù)得以真正商用化。早期臺式電腦的AC/DC開(kāi)關(guān)電源是最早使用功率MOSFET的批量消費產(chǎn)品之一，隨后出現了變速電機驅動(dòng)、熒光燈、DC/DC轉換器等數千種如今已經(jīng)深入我們日常生活的其它應用。

　　國際整流器公司于1978年11月推出的IRF100是最早的功率MOSFET器件之一。這種器件具有100V的漏極-源極擊穿電壓和0.1Ω的導通電阻，樹(shù)立了那個(gè)時(shí)代的基準。由于裸片尺寸超過(guò)40mm2，價(jià)格高達34美元，因此這種產(chǎn)品沒(méi)有立即廣泛地替代傳統的雙極晶體管。

　　多年來(lái)許多制造商持續推出了許多代功率MOSFET產(chǎn)品。30年多來(lái)，基準基本上每年都會(huì )更新。至寫(xiě)這篇文章時(shí)，100V基準公認為是英飛凌的IPB025N10N3G所保持。與IRF100的4Ω–mm2品質(zhì)因數(FOM)相比(1)，IPB025N10N3G的FOM不到0.1Ω–mm2。這個(gè)值幾乎已經(jīng)達到硅器件的理論極限(2)。

　　不過(guò)改進(jìn)仍在持續。例如，CoolMOS器件和IGBT的導通性能已經(jīng)超過(guò)了簡(jiǎn)單垂直型多數載流子MOSFET的理論極限。這些創(chuàng )新在相當長(cháng)一段時(shí)間內可能還會(huì )繼續，并且會(huì )充分利用功率MOSFET的低成本結構和訓練有素的設計師，而這些設計師經(jīng)過(guò)多年實(shí)踐后已經(jīng)學(xué)會(huì )如何有效發(fā)掘電源轉換電路和系統的性能。

　　開(kāi)啟GaN新時(shí)代

　　HEMT(高電遷移率晶體管)GaN晶體管最早出現于2004年左右，當時(shí)日本的Eudyna公司推出了一種耗盡型射頻晶體管。通過(guò)在碳化硅基板上使用GaN，Eudyna公司成功生產(chǎn)出為射頻市場(chǎng)設計的晶體管(3)。HEMT結構基于的是1975年最先由T Mimura et al (4)描述，并且在1994年再次由M. A. Khan et al (5)描述的一種現象，這種現象展示了接近AlGaN和GaN異質(zhì)結構界面之間接口處異常高的電遷移率。將這種現象應用于碳化硅上生長(cháng)的氮化鎵，Eudyna公司成功生產(chǎn)出在數兆赫茲頻率范圍內的基準功率增益。2005年，Nitronex公司推出第一種耗盡型射頻HEMT晶體管，這種晶體管利用硅基上生成的GaN(6)晶圓制造，采用的是公司自己的SIGANTIC®技術(shù)(7)。

　　隨著(zhù)另外幾家公司參與市場(chǎng)，GaN射頻晶體管在射頻應用領(lǐng)域繼續闊步前進(jìn)。但這個(gè)市場(chǎng)之外的接受性非常有限，主要原因是器件成本和耗盡型操作的不方便。

　　于2009年6月，宜普公司推出了首款增強型硅基GaN功率晶體管，這種晶體管專(zhuān)門(mén)設計用于替代功率MOSFET。這些產(chǎn)品可以使用標準硅制造技術(shù)和設備低成本地大批量生產(chǎn), 其結構比較簡(jiǎn)單，見(jiàn)圖1。

　　圖1：硅基GaN器件具有與橫向型DMOS器件類(lèi)似的非常簡(jiǎn)單結構，可以在標準CMOS代工廠(chǎng)制造。

　　突破屏障

　　30年的硅功率MOSFET歷史告訴我們，控制突破性技術(shù)的普及率有四大關(guān)鍵因素：

　　1.這種技術(shù)能否支持重大的新功能?

　　2.這種技術(shù)是否容易使用?

　　3.這種技術(shù)對用戶(hù)來(lái)說(shuō)是否極具成本效益?

　　4.這種技術(shù)是否可靠?

　　在接下來(lái)的章節中我們將根據上述四條準則展開(kāi)討論能夠替代主流硅功率MOSFET的硅基板GaN功率晶體管之現狀。然后我們會(huì )進(jìn)一步了解GaN的近期開(kāi)發(fā)計劃，并預測它們對電源轉換行業(yè)的影響。

　　GaN功率晶體管支持的新功能

　　增強型GaN HEMT器件(eHEMT) 能支持的最大新功能是開(kāi)關(guān)性能和整個(gè)器件帶寬的突破性改善(見(jiàn)圖2)。GaN擁有比硅高得多的關(guān)鍵電場(chǎng)，因此這種新器件的漏極至源極之間可以承受高得多的電壓，而對導通電阻的負面影響卻很小。

　　圖2：宜普公司增強型GaN功率晶體管的增益與頻率關(guān)系曲線(xiàn)。

　　在功率MOSFET中，在器件從導通到關(guān)斷(或從關(guān)斷到導通狀態(tài))所需的器件傳導率和電荷數量之間需要做一個(gè)基本的權衡。從這種權衡可以推導出稱(chēng)為RQ乘積的品質(zhì)因數。這個(gè)指標被定義為器件的導通電阻乘以在正常工作電壓和電流條件下開(kāi)關(guān)器件所必需的向柵極提供的總電荷量。事實(shí)表明，這一指標的改善有助于提高高頻DC/DC轉換器的轉換效率。RQ的絕對值一般也反映了實(shí)際電路中可以實(shí)現的最小脈寬。雖然過(guò)去幾年中RQ乘積得到了很大的改善，但硅功率MOSFET的品質(zhì)因數仍未真正接近市場(chǎng)上已經(jīng)推出的第一代eHEMT器件。圖3對額定電壓為100V和200V的基準硅器件和GaN器件作了比較。

　　圖3：100V和200V的基準硅功率MOSFET和GaN的RQ乘積比較。

　　DC/DC轉換器

　　能夠快速開(kāi)關(guān)并且沒(méi)有太多功率損失意味著(zhù)用戶(hù)在電源轉換電路中可以采用更小的脈沖寬度。需要這種能力的一種重要新興應用是非隔離型DC/DC轉換器。硅功率MOSFET的基本極限性能限制了單級非隔離型降壓轉換器的指標，其實(shí)際的輸入電壓與輸出電壓之比最大值只能達到10:1。除了這個(gè)比值外，降壓電路頂端晶體管要求的短脈寬也將導致不可接受的高開(kāi)關(guān)損耗和由此引起的低轉換效率。GaN晶體管完全打破了這一性能框架，如圖4和圖5所示。

　　圖4：不同輸入電壓下降壓轉換器效率與電流的關(guān)系。這種轉換器中的頂部和底部晶體管用的都是單路100V EPC1001。對于硅器件來(lái)說(shuō)，輸入輸出電壓比超過(guò)10:1通常被認為是不可能實(shí)現的。

　　圖5a：在降壓拓撲中使用EPC1001晶體管實(shí)現的300kHz 48V至1V轉換波形。