硅功率MOSFET在电源转换领域的应用 (1)

功率MOSFET作为双极晶体管的替代品最早出现于1976年。与那些少数载流子器件相比，这些多数载流子器件速度更快、更坚固，并且具有更高的电流增益。因此开关型电源转换技术得以真正商用化。早期台式电脑的AC/DC开关电源是最早使用功率MOSFET的批量消费产品之一，随后出现了变速电机驱动、荧光灯、DC/DC转换器等数千种如今已经深入我们日常生活的其它应用。

国际整流器公司于1978年11月推出的IRF100是最早的功率MOSFET器件之一。这种器件具有100V的漏极-源极击穿电压和0.1Ω的导通电阻，树立了那个时代的基准。由于裸片尺寸超过40mm2，价格高达34美元，因此这种产品没有立即广泛地替代传统的双极晶体管。

多年来许多制造商持续推出了许多代功率MOSFET产品。30年多来，基准基本上每年都会更新。至写这篇文章时，100V基准公认为是英飞凌的IPB025N10N3G所保持。与IRF100的4Ω–mm2品质因数(FOM)相比(1)，IPB025N10N3G的FOM不到0.1Ω–mm2。这个值几乎已经达到硅器件的理论极限(2)。

不过改进仍在持续。例如，CoolMOS器件和IGBT的导通性能已经超过了简单垂直型多数载流子MOSFET的理论极限。这些创新在相当长一段时间内可能还会继续，并且会充分利用功率MOSFET的低成本结构和训练有素的设计师，而这些设计师经过多年实践后已经学会如何有效发掘电源转换电路和系统的性能。

1 开启GaN新时代

HEMT(高电迁移率晶体管)GaN晶体管最早出现于2004年左右，当时日本的Eudyna公司推出了一种耗尽型射频晶体管。通过在碳化硅基板上使用GaN，Eudyna公司成功生产出为射频市场设计的晶体管(3)。HEMT结构基于的是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)描述的一种现象，这种现象展示了接近AlGaN和GaN异质结构界面之间接口处异常高的电迁移率。将这种现象应用于碳化硅上生长的氮化镓，Eudyna公司成功生产出在数兆赫兹频率范围内的基准功率增益。2005年，Nitronex公司推出第一种耗尽型射频HEMT晶体管，这种晶体管利用硅基上生成的GaN(6)晶圆制造，采用的是公司自己的SIGANTIC 技术(7)。

随着另外几家公司参与市场，GaN射频晶体管在射频应用领域继续阔步前进。但这个市场之外的接受性非常有限，主要原因是器件成本和耗尽型操作的不方便。

于2009年6月，宜普公司推出了首款增强型硅基GaN功率晶体管，这种晶体管专门设计用于替代功率MOSFET。这些产品可以使用标准硅制造技术和设备低成本地大批量生产, 其结构比较简单，见图1。



图1：硅基GaN器件具有与横向型DMOS器件类似的非常简单结构，可以在标准CMOS代工厂制造。

2 突破屏障

30年的硅功率MOSFET历史告诉我们，控制突破性技术的普及率有四大关键因素：

1.这种技术能否支持重大的新功能

2.这种技术是否容易使用

3.这种技术对用户来说是否极具成本效益

4.这种技术是否可靠

在接下来的章节中我们将根据上述四条准则展开讨论能够替代主流硅功率MOSFET的硅基板GaN功率晶体管之现状。然后我们会进一步了解GaN的近期开发计划，并预测它们对电源转换行业的影响。

3 GaN功率晶体管支持的新功能

增强型GaN HEMT器件(eHEMT) 能支持的最大新功能是开关性能和整个器件带宽的突破性改善(见图2)。GaN拥有比硅高得多的关键电场，因此这种新器件的漏极至源极之间可以承受高得多的电压，而对导通电阻的负面影响却很小。

图2：宜普公司增强型GaN功率晶体管的增益与频率关系曲线。

在功率MOSFET中，在器件从导通到关断(或从关断到导通状态)所需的器件传导率和电荷数量之间需要做一个基本的权衡。从这种权衡可以推导出称为RQ乘积的品质因数。这个指标被定义为器件的导通电阻乘以在正常工作电压和电流条件下开关器件所必需的向栅极提供的总电荷量。事实表明，这一指标的改善有助于提高高频DC/DC转换器的转换效率。RQ的绝对值一般也反映了实际电路中可以实现的最小脉宽。虽然过去几年中RQ乘积得到了很大的改善，但硅功率MOSFET的品质因数仍未真正接近市场上已经推出的第一代eHEMT器件。图3对额定电压为100V和200V的基准硅器件和GaN器件作了比较。

图3：100V和200V的基准硅功率MOSFET和GaN的RQ乘积比较。

3.1 DC/DC转换器

能够快速开关并且没有太多功率损失意味着用户在电源转换电路中可以采用更小的脉冲宽度。需要这种能力的一种重要新兴应用是非隔离型DC/DC转换器。硅功率MOSFET的基本极限性能限制了单级非隔离型降压转换器的指标，其实际的输入电压与输出电压之比最大值只能达到10:1。除了这个比值外，降压电路顶端晶体管要求的短脉宽也将导致不可接受的高开关损耗和由此引起的低转换效率。GaN晶体管完全打破了这一性能框架，如图4和图5所示。



图4：不同输入电压下降压转换器效率与电流的关系。这种转换器中的顶部和底部晶体管用的都是单路100V EPC1001。对于硅器件来说，输入输出电压比超过10:1通常被认为是不可能实现的。



图5a：在降压拓扑中使用EPC1001晶体管实现的300kHz 48V至1V转换波形。

  图5b：开关频率为1.5MHz的48V至1V转换波形。

图5c：48V至0.5V转换波形。

GaN除了能增加VIN/VOUT比值范围外，还能显著降低降压转换器在任何VIN/VOUT比值时的开关损耗。比较12V至1V转换器就可以发现这种性能的显著改善，见图6。

  

图6：对三种流行的负载点转换器和采用EPC1014/EPC1015 GaN晶体管开发的转换器在VIN=12V和VOUT=1V、电流为5A和开关频率为600kHz时的功率损失比较。

随着新的GaN晶体管快速涵盖当前功率MOSFET和IGBT的电流和电压范围，AC/DC转换、同步整流和功率因素校正都将能实现明显的性能提高。

3.2 D类音频放大器

D类音频放大器经常面临着成本、体积和声音失真之间的折衷考虑。影响失真的最大因素是死区时间和输出滤波器的相移。

D类音频放大器有三种根据死区时间改变输出脉宽的独特操作模式。正向电感电流模式是基于高侧开关进行整流，反向电感电流模式是基于低侧开关进行整流，而双向电流则基于每个开关进行整流。这些模式将死区时间分别设置在上升沿、下降沿或既不是上升沿也不是下降沿的地方。死区时间长短决定了与这种现象有关的失真度。有限开关速度和体二极管前向电压将进一步增强这一效应。增强型GaN晶体管具有非常低的栅极电荷，因此具有非常短的延时和非常快的开关速度。高精度的开关允许更好地控制开关情况，进一步缩短死区时间，从而实现更低的失真。

输出滤波器的尺寸和反馈增益由开关频率决定。在低开关频率时，必须使用大的滤波电容和电感，以便从想要的信号中消除载波频率。大值的滤波元件不仅增加了放大器的成本和尺寸，还会造成相移，从而降低系统的稳定性，限制用于补偿许多元件失真的反馈增益，最终影响系统的保真度。采用传统硅MOSFET时开关频率非常有限，因为功耗会由于高开关损耗而迅速上升。

GaN晶体管能够同时提供低的RDS(ON)和低的栅极电荷(QG)，因此在数MHz范围内都能提供出色的效率。这时放大器可以使用更小值的滤波元件，从而减少它们对成本、尺寸和失真的影响，并允许更高的增益反馈，减小开关放大器对失真的影响。是以增强型GaN晶体管可以给D类应用带来明显更高的保真度和更低的成本。

4 增强型GaN晶体管易于使用吗

器件是否容易使用取决于多方面因素，包括使用者技能、待开发电路的难易程度、与用户熟悉的器件相比有多大的差异以及帮助用户使用器件的工具可用性等。

新一代增强型GaN晶体管的行为与现有功率MOSFET非常相似，因此用户可以充分利用已有的设计经验。有两个关键领域需要特别加以关注：较低的栅极电介强度(及在有限栅极漏电流于每毫米栅极宽度毫安数量级)和较高的频率响应。这两种差异中的第一种——较低栅极电介强度将随着技术的成熟而不断提高。同时，需要采取一定的措施消除工作区的静电放电现象，并且设计电路时要保持VGS低于数据手册中的最大值(8)。第二种差异——较高频率响应不仅是指阶跃函数性能比以前任何硅器件要高，而且用户在设计电路版图时需要多加考虑。例如，少量的杂散寄生电感可能导致栅极至源极电压发生较大的过冲现象，进而有可能损坏器件。

另一方面，也有几种特性使得这些器件比它们的前代硅器件更加容易使用。例如，阈值电压实际上在很宽范围内独立于温度(8)，导通电阻的温度系数也比硅小得多(8,9)。
GaN晶体管也能够在高达300℃的温度下正常工作，但在125℃以上,PCB的焊接会影响实际应用。因此第一款商用增强型器件的工作温度最高为125℃。