硅功率MOSFET在電源轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的應(yīng)用

　功率MOSFET作為雙極晶體管的替代品最早出現(xiàn)于1976年。與那些少數(shù)載流子器件相比，這些多數(shù)載流子器件速度更快、更堅固，并且具有更高的電流增益。因此開關(guān)型電源轉(zhuǎn)換技術(shù)得以真正商用化。早期臺式電腦的AC/DC開關(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(xiàn)了變速電機驅(qū)動、熒光燈、DC/DC轉(zhuǎn)換器等數(shù)千種如今已經(jīng)深入我們?nèi)粘Ｉ畹钠渌?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/應(yīng)用">應(yīng)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(dǎo)通電阻，樹立了那個時代的基準(zhǔn)。由于裸片尺寸超過40mm2，價格高達(dá)34美元，因此這種產(chǎn)品沒有立即廣泛地替代傳統(tǒng)的雙極晶體管。

　　多年來許多制造商持續(xù)推出了許多代功率MOSFET產(chǎn)品。30年多來，基準(zhǔn)基本上每年都會更新。至寫這篇文章時，100V基準(zhǔn)公認(rèn)為是英飛凌的IPB025N10N3G所保持。與IRF100的4Ω–mm2品質(zhì)因數(shù)(FOM)相比(1)，IPB025N10N3G的FOM不到0.1Ω–mm2。這個值幾乎已經(jīng)達(dá)到硅器件的理論極限(2)。

　　不過改進(jìn)仍在持續(xù)。例如，CoolMOS器件和IGBT的導(dǎo)通性能已經(jīng)超過了簡單垂直型多數(shù)載流子MOSFET的理論極限。這些創(chuàng)新在相當(dāng)長一段時間內(nèi)可能還會繼續(xù)，并且會充分利用功率MOSFET的低成本結(jié)構(gòu)和訓(xùn)練有素的設(shè)計師，而這些設(shè)計師經(jīng)過多年實踐后已經(jīng)學(xué)會如何有效發(fā)掘電源轉(zhuǎn)換電路和系統(tǒng)的性能。

　　開啟GaN新時代

　　HEMT(高電遷移率晶體管)GaN晶體管最早出現(xiàn)于2004年左右，當(dāng)時日本的Eudyna公司推出了一種耗盡型射頻晶體管。通過在碳化硅基板上使用GaN，Eudyna公司成功生產(chǎn)出為射頻市場設(shè)計的晶體管(3)。HEMT結(jié)構(gòu)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(xiàn)象，這種現(xiàn)象展示了接近AlGaN和GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面之間接口處異常高的電遷移率。將這種現(xiàn)象應(yīng)用于碳化硅上生長的氮化鎵，Eudyna公司成功生產(chǎn)出在數(shù)兆赫茲頻率范圍內(nèi)的基準(zhǔn)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)。

　　隨著另外幾家公司參與市場，GaN射頻晶體管在射頻應(yīng)用領(lǐng)域繼續(xù)闊步前進(jìn)。但這個市場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，這種晶體管專門設(shè)計用于替代功率MOSFET。這些產(chǎn)品可以使用標(biāo)準(zhǔn)硅制造技術(shù)和設(shè)備低成本地大批量生產(chǎn), 其結(jié)構(gòu)比較簡單，見圖1。

　　圖1：硅基GaN器件具有與橫向型DMOS器件類似的非常簡單結(jié)構(gòu)，可以在標(biāo)準(zhǔn)CMOS代工廠制造。

　　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)對用戶來說是否極具成本效益?

　　4.這種技術(shù)是否可靠?

　　在接下來的章節(jié)中我們將根據(jù)上述四條準(zhǔn)則展開討論能夠替代主流硅功率MOSFET的硅基板GaN功率晶體管之現(xiàn)狀。然后我們會進(jìn)一步了解GaN的近期開發(fā)計劃，并預(yù)測它們對電源轉(zhuǎn)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關(guān)性能和整個器件帶寬的突破性改善(見圖2)。GaN擁有比硅高得多的關(guān)鍵電場，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(dǎo)通電阻的負(fù)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。

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

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

　　DC/DC轉(zhuǎn)換器

　　能夠快速開關(guān)并且沒有太多功率損失意味著用戶在電源轉(zhuǎn)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(yīng)用是非隔離型DC/DC轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器的指標(biāo)，其實際的輸入電壓與輸出電壓之比最大值只能達(dá)到10:1。除了這個比值外，降壓電路頂端晶體管要求的短脈寬也將導(dǎo)致不可接受的高開關(guān)損耗和由此引起的低轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器效率與電流的關(guān)系。這種轉(zhuǎn)換器中的頂部和底部晶體管用的都是單路100V EPC1001。對于硅器件來說，輸入輸出電壓比超過10:1通常被認(rèn)為是不可能實現(xiàn)的。

　　圖5a：在降壓拓?fù)渲惺褂肊PC1001晶體管實現(xiàn)的300kHz 48V至1V轉(zhuǎn)換波形。