寬禁帶技術(shù)在開關(guān)模式電源中越來越受歡迎。但如果電路設(shè)計人員想要在未來設(shè)計中使用這項相對較新的技術(shù)，則有必要了解一下這項技術(shù)的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)，并積累相關(guān)經(jīng)驗。
什么是寬禁帶半導(dǎo)體？
硅是電子產(chǎn)品中常用的一種神奇材料。生長出高純度體硅并通過摻雜形成p型和n型特性，造就了令人矚目的微電子基礎(chǔ)設(shè)施與產(chǎn)業(yè)。于是，低成本、高可用性器件不斷滲透到我們的生活中。
然而，隨著工程師逐漸把手中的工具發(fā)揮到極致性能，我們也在不斷尋找更好的晶體管。對于各種應(yīng)用中的許多用例，硅固然表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，但硅的某些材料特性也限制了它在速度、功率密度和溫度范圍等方面的提升。
雖然市面上提供了許多其他半導(dǎo)體技術(shù)，如砷化鎵(GaAs)、碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)，但設(shè)計師在使用硅構(gòu)建電路方面已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗，涵蓋研究、開發(fā)工具鏈和生產(chǎn)環(huán)節(jié)。據(jù)SEMI.org統(tǒng)計，2023年晶圓出貨量為126.02億平方英寸，面積足夠覆蓋1000個足球場。對于始終追求更小解決方案的半導(dǎo)體行業(yè)來說，這無疑是令人贊嘆的壯舉！
得益于對硅材料的熟悉，隨著時間的推移，半導(dǎo)體行業(yè)能夠?qū)⒐璧男阅懿粩嘞蚯巴七M。然而，半導(dǎo)體行業(yè)迫切需要認(rèn)真考慮替代硅的半導(dǎo)體技術(shù)，而寬禁帶半導(dǎo)體的相關(guān)研究已取得切實的成果。
GaAs是一種III-V禁帶半導(dǎo)體，用于微波、激光二極管和太陽能電池等高頻應(yīng)用。得益于高飽和電子速度和遷移率，GaAs能夠在100GHz以上的頻率下正常工作。
電子產(chǎn)品中使用碳化硅由來已久，其早期應(yīng)用主要是發(fā)光二極管。憑借耐高溫和耐高壓的能力，碳化硅用作電源中的功率級元件。此外，碳化硅能夠?qū)崿F(xiàn)電壓范圍遠高于1000V的開關(guān)和二極管。
在電源應(yīng)用中，GaN是一種能夠替代或增強硅基電路的特定技術(shù)。在20世紀(jì)90年代初，GaN主要是研究級材料，但到了2003年，從產(chǎn)量來看，GaN已躋身三大半導(dǎo)體材料之列，僅次于硅和GaAs。GaN的早期用例包括固態(tài)照明和射頻電子產(chǎn)品。
2012年，GaN原型首次用作電源開關(guān)（pGaN HEMT器件），替代開關(guān)模式電源中的硅場效應(yīng)晶體管(FET)。在此類電源中，與傳統(tǒng)硅FET器件相比，GaN實現(xiàn)了更高的電源轉(zhuǎn)換效率。
無論是過去還是現(xiàn)在，GaN器件的主要制造難點一直在于能否生長出大尺寸的單晶，從而用來生產(chǎn)高質(zhì)量的大尺寸晶圓。
與硅相比，GaN有很多優(yōu)勢。主要優(yōu)勢包括在給定電流和電壓額定值下具有較低的漏極和柵極電容。此外，GaN開關(guān)的尺寸比硅小，因此解決方案也更小。GaN材料的擊穿電壓較高，可用于運行電壓在100V及以上的應(yīng)用。而對于100V以下的不同電源設(shè)計，GaN的功率密度和快速開關(guān)能力也帶來諸多優(yōu)勢，比如提高電源轉(zhuǎn)換效率。
GaN是寬禁帶半導(dǎo)體，其禁帶電壓為3.4eV，而硅的禁帶電壓為1.1eV。但是，在電源設(shè)計中，品質(zhì)因數(shù)的重要性不盡相同。舉例來說，在400V中間總線應(yīng)用中，比如在240V AC電源轉(zhuǎn)換器中，我們使用650V擊穿電壓FET，漏源電流約為30A。使用硅FET時，需要93nC的柵極電荷，而使用GaN FET時，僅需9nC的柵極電荷。使用此類開關(guān)的應(yīng)用將在約1kW至8kW的功率電平下運行。
使用具有小柵極電容的GaN器件的好處在于，開關(guān)轉(zhuǎn)換時間顯著加快，開關(guān)損耗降低，最終實現(xiàn)更高的電源轉(zhuǎn)換效率，特別是當(dāng)開關(guān)頻率較高且采用較小的磁性元件時。
在開關(guān)模式電源中使用寬禁帶半導(dǎo)體
用GaN器件替代硅基MOSFET時，肯定會遇到一些挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)與GaN柵極驅(qū)動、開關(guān)過程中的快速電壓變化及死區(qū)時間內(nèi)的高導(dǎo)通損耗有關(guān)。
首先，GaN開關(guān)的柵極電壓額定值通常低于硅FET。大多數(shù)GaN制造商建議的典型柵極驅(qū)動電壓為5V。一些器件的絕對最大額定值為6V，建議的柵極驅(qū)動電壓和臨界閾值之間沒有太多裕量，若超過此臨界閾值，將會損壞器件。建議的柵極驅(qū)動電壓因制造商而異。這一限制，再加上GaN器件中的柵極電荷非常小，意味著驅(qū)動器級必須嚴(yán)格限制最大柵極驅(qū)動電壓，以免損壞GaN器件。
此外，必須關(guān)注電源開關(guān)節(jié)點處的快速電壓變化(dv/dt)，這有可能導(dǎo)致底部開關(guān)誤導(dǎo)通。GaN器件的柵極電壓非常小。任何在鄰近區(qū)域（比如開關(guān)節(jié)點處）發(fā)生的快速電壓變化，都有可能以電容耦合的方式作用于GaN開關(guān)的小尺寸柵極，從而使其導(dǎo)通。為了更好地控制導(dǎo)通和關(guān)斷曲線，需要布置單獨的上拉和下拉引腳，并精心設(shè)計印刷電路板布局。
此外，GaN FET在死區(qū)時間的導(dǎo)通損耗較高，在死區(qū)時間，電橋配置的高側(cè)和低側(cè)開關(guān)均斷開。死區(qū)時間對于防止高側(cè)電壓軌與接地端之間發(fā)生短路必不可少。在死區(qū)時間內(nèi)，低側(cè)開關(guān)通常會產(chǎn)生流經(jīng)低側(cè)開關(guān)體二極管的電流。要解決此類死區(qū)時間內(nèi)導(dǎo)通損耗較高的問題，一種方法是盡可能縮短死區(qū)時間的時長。與此同時，還必須注意高側(cè)和低側(cè)開關(guān)的導(dǎo)通時間不能重疊，以避免接地端短路。
另外值得一提的是，GaN提供更寬的轉(zhuǎn)換范圍，快速的上升和下降時間能夠?qū)崿F(xiàn)比硅MOSFET更小的占空比。
使用除硅以外的其他開關(guān)
在電源轉(zhuǎn)換行業(yè)，硅開關(guān)多年來一直用作功率級開關(guān)。現(xiàn)在，GaN開關(guān)已可供電源設(shè)計人員使用，但如何用它們來取代硅開關(guān)？它們是直接替代產(chǎn)品，還是在功率級設(shè)計方面有所不同？
圖1所示為典型降壓穩(wěn)壓器開關(guān)模式電源的功率級。紅色箭頭表示在開關(guān)模式電源中使用GaN開關(guān)時可能需要的額外組件。
GaN開關(guān)不具備體二極管的便捷性。硅MOSFET中的體二極管是p-n結(jié)，該p-n結(jié)通過硅工藝的結(jié)構(gòu)形成。GaN技術(shù)的工藝略有不同，因此無法使用簡單的p-n結(jié)體二極管。 然而，GaN開關(guān)雖采用不同的機制，但可產(chǎn)生類似的結(jié)果。GaN器件的導(dǎo)通僅涉及多數(shù)載流子，因此不存在反向恢復(fù)。但是，不同于硅MOSFET，GaN FET不具備體二極管的正向電壓，因此GaN FET上的電壓可能會變得非常大。所以，死區(qū)時間內(nèi)的功率損耗相當(dāng)高。這便是為什么與硅開關(guān)相比，在使用GaN開關(guān)時務(wù)必要縮短死區(qū)時間。
硅MOSFET具有體二極管，在開關(guān)模式電源的死區(qū)時間內(nèi)，電源設(shè)計會大量使用體二極管。在降壓穩(wěn)壓器的低側(cè)開關(guān)中，流經(jīng)體二極管的電流提供電感所需的連續(xù)電流。如果低側(cè)開關(guān)中沒有體二極管，則每段死區(qū)時間都會導(dǎo)致降壓穩(wěn)壓器中的開關(guān)節(jié)點電壓趨于負(fù)無窮。在達到負(fù)無窮之前，電路無疑會因為電壓超出開關(guān)的額定電壓而失去能量，最終燒毀。
使用GaN開關(guān)時，如果源極和柵極處于相同電位，但使用電感器等連續(xù)電流源，則GaN FET將反向?qū)ā?/span>
不同于硅MOSFET，GaN開關(guān)不包含p-n結(jié)體二極管，因此在構(gòu)建低側(cè)開關(guān)時，需要在低側(cè)開關(guān)周圍設(shè)計一條備用電流路徑，以允許電流在死區(qū)時間內(nèi)流動。圖1所示為放置在低側(cè)GaN開關(guān)漏極和源極之間的簡單肖特基二極管(D2)。在電路的死區(qū)時間內(nèi)，該二極管將迅速接管電感電流。
在GaN FET中，由于GaN FET的對稱性，漏極和源極在反向?qū)ㄆ陂g會發(fā)生翻轉(zhuǎn)。柵極保持在接地電位，但開關(guān)節(jié)點自偏置為GaN FET的最小導(dǎo)通閾值。這個低電壓是導(dǎo)通GaN FET所需的最小閾值（通常為GND-2V至GND-3V）。由于VGS未優(yōu)化，RON會受到反向?qū)ǖ挠绊憽Ｍ獠啃ぬ鼗莻溆寐窂剑瑹o需在反向?qū)〞r導(dǎo)通GaN FET。
如圖2所示，使用GaN開關(guān)時，對電路進行的第二個修改是將電阻與二極管D1串聯(lián)，為電路的高側(cè)驅(qū)動器提供來自INTVCC電源電壓的基本電壓。可能需要這個電阻來限制高側(cè)驅(qū)動器的峰值電流。
此外，要防止高側(cè)驅(qū)動器電源電壓上的電壓尖峰過量，可能需要齊納二極管D3。
圖1：使用GaN技術(shù)作為降壓轉(zhuǎn)換器功率級中的電源開關(guān)時有必要考慮的組件。
雖然圖1中的額外組件看起來相當(dāng)簡單直接，但要確保該電路在所有工作條件下都能可靠運行，需要在工作臺上進行微調(diào)和全面評估。此外，將需要考慮組件的數(shù)值在生產(chǎn)環(huán)境和老化過程中的變化。最嚴(yán)重的風(fēng)險是GaN開關(guān)永久性損壞。
使用特殊GaN控制器
如果開關(guān)模式電源的功率級使用GaN開關(guān)，要想免去對于保護功能的關(guān)鍵評估，一個簡單方法是選擇電源控制器IC。選擇專用GaN控制器可以簡化GaN電源設(shè)計，增強其穩(wěn)健性。前面提到的種種挑戰(zhàn)都可以通過GaN控制器來解決。如圖1所示，采用GaN FET等專用GaN控制器，將大大簡化降壓電源設(shè)計。
圖2：專用GaN控制器有助于實現(xiàn)穩(wěn)健且密集的電源電路。
此類專用的開關(guān)控制器不僅實現(xiàn)了簡單的設(shè)計，還提供所需的靈活性，可與當(dāng)今市場上的不同GaN開關(guān)配合使用。
此外，GaN開關(guān)技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新還遠未結(jié)束。未來的GaN開關(guān)將不同于當(dāng)今的產(chǎn)品，而且將變得更加出色。然而，與如今現(xiàn)成的開關(guān)相比，未來的GaN開關(guān)可能需要采用略微不同的處理方法。
另一個重要特性是智能的近零死區(qū)時間控制。該特性可以實現(xiàn)可靠的操作，并顯著提高電源轉(zhuǎn)換效率，同時還支持高開關(guān)頻率。
另一個獨特之處是可以將柵極驅(qū)動電壓從4V精確調(diào)整至5.5V，從而優(yōu)化市場上各種GaN FET所需的VGS。
使用任意控制器IC
除了使用外部無源修復(fù)措施來使傳統(tǒng)硅控制器與GaN開關(guān)配合使用，或使用專用GaN控制器之外，工程師也可以考慮使用傳統(tǒng)控制器IC，并利用針對GaN進行了優(yōu)化的驅(qū)動器級。這種方法可解決GaN帶來的挑戰(zhàn)，實現(xiàn)簡單而穩(wěn)健的設(shè)計。
集成寬禁帶
盡管GaN技術(shù)非常適合構(gòu)建FET并將FET用于先進的功率級，但要將GaN用作開關(guān)模式電源的控制電路，GaN未必具有這樣的能力，或者不具有足夠的成本效益。
因此，在可預(yù)見的未來，我們將采用混合方法。控制電路將以硅為基礎(chǔ)，通過高度優(yōu)化的控制和驅(qū)動電路來驅(qū)動高功率GaN開關(guān)。就目前的技術(shù)而言，這種方法是可行的，且具有成本競爭力。
然而，這將需要在一個電路中使用多個裸片。可以采用單獨的GaN開關(guān)，也可以采用全集成混合方法，并集成電感器等多種無源元件。
如前所述，生長大尺寸、高質(zhì)量的GaN依然是個難題。金剛石基GaN是制造GaN開關(guān)的一種方法。然而，自大約2010年以來，硅基高電子遷移率晶體管(HEMT)成為GaN制造的主流選擇，因為HEMT可能實現(xiàn)更大的晶圓直徑，與現(xiàn)有硅加工基礎(chǔ)設(shè)施相關(guān)的成本也更低。 HEMT在早期遇到的技術(shù)挑戰(zhàn)也已解決。但HEMT技術(shù)還需要經(jīng)過多年的進一步開發(fā)。使用HEMT方法時，GaN器件使用硅晶圓上的GaN外延制成，因此不會像硅或SiC那樣生長為體晶。
GaN技術(shù)的未來
GaN技術(shù)在開關(guān)模式電源領(lǐng)域已經(jīng)取得了許多成果，可用于許多電源應(yīng)用。未來，GaN開關(guān)技術(shù)仍將持續(xù)迭代更新，進一步探索應(yīng)用前景。
現(xiàn)在，行業(yè)正朝著實現(xiàn)GaN應(yīng)用的方向努力，而且在許多方面已經(jīng)取得了進展。首先，如今的GaN開關(guān)本身已十分穩(wěn)健。但對于這項相對較新的技術(shù)，要讓用戶完全接受和認(rèn)可開關(guān)的可靠性，還需要時間和進一步的技術(shù)發(fā)展。其次，GaN開關(guān)的制造工藝將進一步改進，提高良率，降低缺陷密度，從而降低成本并提高GaN開關(guān)的可靠性。再者，越來越多的專用GaN驅(qū)動器和開關(guān)控制器推向市場，能夠簡化基于GaN的開關(guān)模式電源的實現(xiàn)。
常見的GaN電壓是100V和650V。因此，第一批采用GaN技術(shù)的電源的最大電壓范圍為100V和650V。而GaN的一些特性，尤其是所需的柵極電荷較小這一特性，在電壓下降至較低水平時也依然有效。
未來，還將看到最大電壓范圍在40V以下的低電壓電源，以便更好地利用GaN的優(yōu)勢。而且可能會看到電壓高達1000V的GaN開關(guān)，在如此高的電壓下，快速開關(guān)非常有用。
結(jié)語
為了擴大電源工作范圍和功率密度，半導(dǎo)體材料將繼續(xù)發(fā)展。硅是過去以來的一種重要材料。而在未來10到15年里，GaN將是一種極為出色的材料。
未來，還可能出現(xiàn)其他激動人心的材料。電子技術(shù)已在汽車、人工智能、通信連接等領(lǐng)域取得了巨大的發(fā)展，今后還將繼續(xù)發(fā)展，以解決人類面臨的重大問題。在這些領(lǐng)域，相關(guān)的應(yīng)用將繼續(xù)創(chuàng)新，會對功率、密度、穩(wěn)健性和效率提出更高的要求，而GaN使我們有機會跟上這些創(chuàng)新發(fā)展。
*本文作者為ADI電源管理專家Frederik Dostal
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