硅功率MOSFET在電源轉換領(lǐng)域的應用

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

　　圖5c：48V至0.5V轉換波形。

　　GaN除了能增加VIN/VOUT比值范圍外，還能顯著(zhù)降低降壓轉換器在任何VIN/VOUT比值時(shí)的開(kāi)關(guān)損耗。比較12V至1V轉換器就可以發(fā)現這種性能的顯著(zhù)改善，見(jiàn)圖6。

　　圖6：對三種流行的負載點(diǎn)轉換器和采用EPC1014/EPC1015 GaN晶體管開(kāi)發(fā)的轉換器在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(zhù)新的GaN晶體管快速涵蓋當前功率MOSFET和IGBT的電流和電壓范圍，AC/DC轉換、同步整流和功率因素校正都將能實(shí)現明顯的性能提高。

　　D類(lèi)音頻放大器

　　D類(lèi)音頻放大器經(jīng)常面臨著(zhù)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死區時(shí)間改變輸出脈寬的獨特操作模式。正向電感電流模式是基于高側開(kāi)關(guān)進(jìn)行整流，反向電感電流模式是基于低側開(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。這些模式將死區時(shí)間分別設置在上升沿、下降沿或既不是上升沿也不是下降沿的地方。死區時(shí)間長(cháng)短決定了與這種現象有關(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)一步增強這一效應。增強型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)一步縮短死區時(shí)間，從而實(shí)現更低的失真。

　　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，從而降低系統的穩定性，限制用于補償許多元件失真的反饋增益，最終影響系統的保真度。采用傳統硅MOSFET時(shí)開(kāi)關(guān)頻率非常有限，因為功耗會(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MHz范圍內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)放大器對失真的影響。是以增強型GaN晶體管可以給D類(lèi)應用帶來(lái)明顯更高的保真度和更低的成本。

　　增強型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。

　　新一代增強型GaN晶體管的行為與現有功率MOSFET非常相似，因此用戶(hù)可以充分利用已有的設計經(jīng)驗。有兩個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域需要特別加以關(guān)注：較低的柵極電介強度(及在有限柵極漏電流于每毫米柵極寬度毫安數量級)和較高的頻率響應。這兩種差異中的第一種——較低柵極電介強度將隨著(zhù)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的靜電放電現象，并且設計電路時(shí)要保持VGS低于數據手冊中的最大值(8)。第二種差異——較高頻率響應不僅是指階躍函數性能比以前任何硅器件要高，而且用戶(hù)在設計電路版圖時(shí)需要多加考慮。例如，少量的雜散寄生電感可能導致柵極至源極電壓發(fā)生較大的過(guò)沖現象，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)際上在很寬范圍內獨立于溫度(8)，導通電阻的溫度系數也比硅小得多(8,9)。

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

　　表1從易用性的角度對硅功率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，并對實(shí)際器件性能和使用TSPICE模型仿真的結果作了比較。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)品應提供相當可靠的電路性能預測，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仿真結果與實(shí)際測量的電路性能的波形圖比較。

　　多年來(lái)的應用手冊和設計技巧匯集了工程師們的集體智慧和經(jīng)驗。描述于上百種使用功率MOSFET的應用, 已刊載于數千條的應用筆記。GaN用戶(hù)可能要花幾年時(shí)間才能理解如此大量的知識，但是因為增強型GaN晶體管和硅功率MOSFET之間的相似性，這些知識及經(jīng)驗將繼續有效。是以指導用戶(hù)使用具有非凡特性的GaN的應用筆記, 可從許多現有資料來(lái)源找到(11, 12)。

　　對用戶(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(cháng)

　　晶圓制造

　　測試與裝配

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

　　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器件使用標準的硅基板，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(cháng)

　　硅外延生長(cháng)是一種成熟技術(shù)，許多公司都制造高效率和自動(dòng)化的機器。MOCVD GaN設備至少有兩個(gè)來(lái)源，即美國的Veeco (13)和德國的Aixtron (14)。這兩家公司都制造功能強大且可靠的機器，這些機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(cháng)。沒(méi)有一臺機器針對硅基GaN外延優(yōu)化過(guò)，也沒(méi)有硅機器中常見(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。