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

　　圖5b：開關(guān)頻率為1.5MHz的48V至1V轉(zhuǎn)換波形。

　　圖5c：48V至0.5V轉(zhuǎn)換波形。

　　GaN除了能增加VIN/VOUT比值范圍外，還能顯著降低降壓轉(zhuǎn)換器在任何VIN/VOUT比值時(shí)的開關(guān)損耗。比較12V至1V轉(zhuǎn)換器就可以發(fā)現(xiàn)這種性能的顯著改善，見圖6。

　　圖6：對(duì)三種流行的負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器和采用EPC1014/EPC1015 GaN晶體管開發(fā)的轉(zhuǎn)換器在VIN=12V和VOUT=1V、電流為5A和開關(guān)頻率為600kHz時(shí)的功率損失比較。

　　隨著新的GaN晶體管快速涵蓋當(dāng)前功率MOSFET和IGBT的電流和電壓范圍，AC/DC轉(zhuǎn)換、同步整流和功率因素校正都將能實(shí)現(xiàn)明顯的性能提高。

　　D類音頻放大器

　　D類音頻放大器經(jīng)常面臨著成本、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(qū)時(shí)間和輸出濾波器的相移。

　　D類音頻放大器有三種根據(jù)死區(qū)時(shí)間改變輸出脈寬的獨(dú)特操作模式。正向電感電流模式是基于高側(cè)開關(guān)進(jìn)行整流，反向電感電流模式是基于低側(cè)開關(guān)進(jìn)行整流，而雙向電流則基于每個(gè)開關(guān)進(jìn)行整流。這些模式將死區(qū)時(shí)間分別設(shè)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(qū)時(shí)間長(zhǎng)短決定了與這種現(xiàn)象有關(guān)的失真度。有限開關(guān)速度和體二極管前向電壓將進(jìn)一步增強(qiáng)這一效應(yīng)。增強(qiáng)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_關(guān)速度。高精度的開關(guān)允許更好地控制開關(guān)情況，進(jìn)一步縮短死區(qū)時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)更低的失真。

　　輸出濾波器的尺寸和反饋增益由開關(guān)頻率決定。在低開關(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(hào)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(tǒng)的穩(wěn)定性，限制用于補(bǔ)償許多元件失真的反饋增益，最終影響系統(tǒng)的保真度。采用傳統(tǒng)硅MOSFET時(shí)開關(guān)頻率非常有限，因?yàn)楣臅?huì)由于高開關(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(shù)MHz范圍內(nèi)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(duì)成本、尺寸和失真的影響，并允許更高的增益反饋，減小開關(guān)放大器對(duì)失真的影響。是以增強(qiáng)型GaN晶體管可以給D類應(yīng)用帶來明顯更高的保真度和更低的成本。

　　增強(qiáng)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、待開發(fā)電路的難易程度、與用戶熟悉的器件相比有多大的差異以及幫助用戶使用器件的工具可用性等。

　　新一代增強(qiáng)型GaN晶體管的行為與現(xiàn)有功率MOSFET非常相似，因此用戶可以充分利用已有的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。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(qiáng)度(及在有限柵極漏電流于每毫米柵極寬度毫安數(shù)量級(jí))和較高的頻率響應(yīng)。這兩種差異中的第一種——較低柵極電介強(qiáng)度將隨著技術(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(qū)的靜電放電現(xiàn)象，并且設(shè)計(jì)電路時(shí)要保持VGS低于數(shù)據(jù)手冊(cè)中的最大值(8)。第二種差異——較高頻率響應(yīng)不僅是指階躍函數(shù)性能比以前任何硅器件要高，而且用戶在設(shè)計(jì)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(dǎo)致柵極至源極電壓發(fā)生較大的過沖現(xiàn)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(nèi)獨(dú)立于溫度(8)，導(dǎo)通電阻的溫度系數(shù)也比硅小得多(8,9)。

　　GaN晶體管也能夠在高達(dá)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(yīng)用。因此第一款商用增強(qiáng)型器件的工作溫度最高為125℃。

　　表1從易用性的角度對(duì)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(duì)新器件的易用性起了很大的作用。宜普公司已經(jīng)開發(fā)出一整套TSPICE器件模型供用戶下載使用(10)。圖7顯示了一個(gè)簡(jiǎn)單電路，并對(duì)實(shí)際器件性能和使用TSPICE模型仿真的結(jié)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(yīng)提供相當(dāng)可靠的電路性能預(yù)測(cè)，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(jié)果與實(shí)際測(cè)量的電路性能的波形圖比較。

　　多年來的應(yīng)用手冊(cè)和設(shè)計(jì)技巧匯集了工程師們的集體智慧和經(jīng)驗(yàn)。描述于上百種使用功率MOSFET的應(yīng)用, 已刊載于數(shù)千條的應(yīng)用筆記。GaN用戶可能要花幾年時(shí)間才能理解如此大量的知識(shí)，但是因?yàn)樵鰪?qiáng)型GaN晶體管和硅功率MOSFET之間的相似性，這些知識(shí)及經(jīng)驗(yàn)將繼續(xù)有效。是以指導(dǎo)用戶使用具有非凡特性的GaN的應(yīng)用筆記, 可從許多現(xiàn)有資料來源找到(11, 12)。

　　對(duì)用戶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(qiáng)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(zhǎng)

　　晶圓制造

　　測(cè)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(yùn)輸成本以及一般開銷成本,在不同的技術(shù)下被設(shè)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(biāo)準(zhǔn)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(jié)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(zhǎng)

　　硅外延生長(zhǎng)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(jī)器。MOCVD GaN設(shè)備至少有兩個(gè)來源，即美國(guó)的Veeco (13)和德國(guó)的Aixtron (14)。這兩家公司都制造功能強(qiáng)大且可靠的機(jī)器，這些機(jī)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(zhǎng)。沒有一臺(tái)機(jī)器針對(duì)硅基GaN外延優(yōu)化過，也沒有硅機(jī)器中常見的自動(dòng)化水平。因此，硅基GaN外延要比目前的硅外延較為昂貴。