導入Cascode結構　GaN FET打造高效率開(kāi)關(guān)

　　射頻（RF）應用的氮化鎵（GaN）電晶體已面世多年，最近業(yè)界的重點(diǎn)開(kāi)發(fā)面向為電力電子應用的經(jīng)濟型高性能GaN功率電晶體。十幾家半導體公司都在積極開(kāi)發(fā)幾種不同的方法，以實(shí)現GaN功率場(chǎng)效應電晶體（FET）商業(yè)化。

　　GaN HEMT模組解析

　　基本的GaN構建模組就是高電子遷移率電晶體（HEMT），它由一塊基板上生長(cháng)的各種GaN層構成。矽是首選基板，因為它能夠以極低的成本應用到大直徑晶圓中。碳化矽（SiC）或藍寶石之類(lèi)的替代基板可能更易于生長(cháng)GaN層，但是這些基板的成本過(guò)高，讓商業(yè)化和廣泛應用變得完全不切實(shí)際。HEMT基本上是一種超高速、常開(kāi)元件，像通過(guò)施加負閘偏壓即可關(guān)閉的電阻。耗盡型（常開(kāi)）特性對于將其應用到傳統電力電子電路拓撲中來(lái)說(shuō)可能是一種挑戰。例如，半橋拓撲如今被廣泛應用，如果耗盡型FET被用做上臂、下臂開(kāi)關(guān)，那么有必要讓閘極控制電路正常運行，從而再為DC匯流排加電前提供負偏壓，因為如果未偏壓，半橋就會(huì )短接匯流排。另一種替代方法是將非耗盡型主使能開(kāi)關(guān)與半橋串聯(lián)，一旦橋接電路的剩余部分可以正常運行了，即可被啟動(dòng)，但是這樣會(huì )增加成本和傳導損耗。

　　另外，還可以調整GaN HEMT設計以便將閘臨界電壓由負轉正，進(jìn)而實(shí)現常關(guān)的增強型元件。增強型GaN HEMT可在低、中壓范圍（高達200V）使用，很快就可以達到更高電壓（600V）。然而，就當今的技術(shù)而言，由于面臨閘極驅動(dòng)設計挑戰，所以必須平衡增強型元件的便利性、性能和穩定性，增強型GaN HEMT的臨界值電壓較低，而且可以完全導通的增強型VGS和絕對最大額定值的VGS通常只差1V。鑒于GaN HEMT的開(kāi)關(guān)速度極快，促使從漏極耦合到閘極的C dv/dt造成閘極驅動(dòng)電路很容易受到「閘極反彈」電壓的影響。盡管如此，增強型GaN HEMT仍然具有誘人優(yōu)勢，并且將來(lái)的產(chǎn)品設計毫無(wú)疑問(wèn)會(huì )越來(lái)越好。

　　Cascode結構拓展電壓范圍

　　GaN HEMT和低壓（20？40V）矽FET的Cascode連接如圖1所示，Cascode就像工作電壓范圍被GaN HEMT擴展了的低壓矽FET。GaN HEMT與矽FET的漏極相連，將電壓范圍擴展到600V之高。因為HEMT的閘極與矽FET的源極相連，所以矽FET的VDS就成了GaN HEMT的負VGS，從而自動(dòng)提供必要的負偏壓以實(shí)現關(guān)斷操作。該結構有助于緩解任何閘極驅動(dòng)問(wèn)題，因為被驅動(dòng)的閘極實(shí)際上是低壓矽FET。雖然仍然存在同樣的高開(kāi)關(guān)速度「閘極反彈」問(wèn)題，但Cascode矽FET的臨界值電壓和最高閘值電壓都比增強型HEMT高得多，進(jìn)而降低這些問(wèn)題對它的影響。雖然開(kāi)爾文（Kelvin）源極引腳和主源極的電路節點(diǎn)相連，但它的電流通路不同，也不與主漏極電流共用，因此消除了「共源電感」，進(jìn)而減少了寄生L di/dt引起的閘極驅動(dòng)器介面問(wèn)題。

　　圖1 GaN HEMT和低壓矽FET的cascode連接示意圖

　　體二極體特性

　　Cascode GaN FET具有出色的體二極體行為。這是600V GaN Cascode開(kāi)關(guān)的主要特性和優(yōu)勢之一：與絕緣閘雙極性電晶體（IGBT）、Super-junction FET或其他矽FET相比，GaN Cascode的反向恢復電荷（Qrr）要出色得多（與SiC肖特基二極體相似）。隨著(zhù)溫度的變化，測量的Qrr幾乎是平直的，而溫度升高時(shí)矽FET的Qrr會(huì )增加二至三倍。原因在于，在給定的Rds（on）下，20？40V FET的Qrr比600V FET低幾個(gè)數量級。HEMT沒(méi)有少數載流子，因此增加了電容，但是不會(huì )增加反向恢復電荷。因此，Cascode提供了25V矽FET的低Qrr性能，卻將電壓范圍擴展到了600V。GaN Cascode與IGBT二極體和Super-junction FET的Qrr比，分別高約二十倍和兩百倍。

　　低Qrr意義重大，因為體二極體性能通常是硬開(kāi)關(guān)應用的制約因素，600V GaN Cascode的傳導損耗低于IGBT，反向恢復電荷低于常與IGBT一起使用的超高速二極體。這樣就能夠在高得多的頻率下采用半橋拓撲，從而改善傳導和開(kāi)關(guān)損耗，而且它的振蕩和過(guò)沖也比矽的元件低。

　　即使對于LLC諧振轉換器這樣的軟開(kāi)關(guān)拓撲，GaN Cascode的死區時(shí)間也比矽Super-junction FET低，因為其總輸出電荷（Qoss）比具有相同Rds（on）的FET低三倍。即使LLC拓撲是ZVS，在通道反向傳導之前仍然存在著(zhù)續流二極體，因此Super-junction結構的長(cháng)反向恢復時(shí)間極有可能限制死區時(shí)間的降幅。

　　Super-junction Qoss的極端非線(xiàn)性特征，一般需要幾百奈秒（ns）來(lái)充電，而且一旦充電，會(huì )瞬間出現很高的dv/dt漏極的電壓。與Super-junction相比，具有相同Rds（on）的GaN級聯(lián)FET的充電速度快二至三倍，dv/dt也好得多。因此，與對應的Super-junction相比，GaN Cascode能夠在不增加損耗的情況下實(shí)現LLC轉換器的高工作頻率。

　?。跕B］元件電容與電荷［@C］元件電容與電荷

　　對于硬開(kāi)關(guān)拓撲，FET輸出電荷Qoss每個(gè)周期都會(huì )被耗盡，所以Qoss是頻率相關(guān)開(kāi)關(guān)損耗的要素之一。因此，FET的普通開(kāi)關(guān)損耗指標就是RDS（on）×Qoss，換句話(huà)說(shuō)，就是在給定的RDS（on）下每個(gè)周期損耗了多少輸出電容相關(guān)電荷。GaN Cascode開(kāi)關(guān)比當今最好的Super-junction FET還好三倍