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新型GaN器件在不同应用中如何实现高开关频率?

时间:2021-07-02 作者:Adrian Cotterill,Patricio Gomez Bello 阅读:
与硅相比,GaN器件能够在硅器件无法承受的高温条件下运行,这就允许使用更小尺寸的散热器,有助于进一步减小电源电子产品的体积和重量。尽管GaN器件与等效硅器件相比具备关键性能优势,设计人员在进行GaN设计时需注意一些重要事项。
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数十年来,硅场效应晶体管 (FET) 技术一直是众多电源应用的首选。在此期间,厂商在降低导通电阻、改善击穿电压方面取得了长足的进步,减少了损耗并提高了安全裕度。同时,厂商还使用硅基垂直结构等创新制造技术提高了开关频率,从而更适合在开关频率较高的场合应用。这反过来又使得厂商可以使用更小尺寸的磁性和无源支持元件,进而减小电源尺寸和重量。

然而,晶体管状态改变引起的损失却难以避免,因为硅的特性导致载流子在关闭通道时需要花费一些时间来清除。因此,设计师在工艺设计中还需在导通电阻和击穿电压之间实现完美平衡。

尽管硅技术已然发展成熟且具备成本效益,但业界却逐渐转向氮化镓 (GaN) 等材料,以期改善供电电路的性能。GaN的关键优势在于其带隙能量为3.4eV,而硅的这一指标仅为1.1eV。这一特性可实现更高击穿电压,能够帮助设计人员缩小晶体管外形尺寸。它还可以提供更低的栅极电容和输出电容,有助于将开关频率提高到兆赫级。

GaN另一关键属性是其本身固有的高载流子迁移率。GaN的电子迁移率几乎比硅高出40%。其高迁移率源于不同元件材料之间的接口处形成的二维电子气,这是高电子迁移率晶体管 (HEMT) 及砷化镓 (GaAs)等其它材料的固有特性。高迁移率能够进一步实现低导通电阻,适合大电流应用。

与硅相比,GaN器件能够在硅器件无法承受的高温条件下运行,这就允许使用更小尺寸的散热器,有助于进一步减小电源电子产品的体积和重量。

GaN器件设计注意事项

尽管GaN器件与等效硅器件相比具备关键性能优势,设计人员在进行GaN设计时需注意以下重要事项。快速开关能够带来尺寸和效能方面的优势,然而,电流的急剧变化加上寄生电感引起的响应延时会在PCB内产生不必要的瞬态电压。这些瞬态电压可能会干扰器件的栅极和驱动器电路,并导致持续振荡。这就需要采取振荡抑制措施来确保安全运行。设计人员可以采用PCB级技术来控制这些条件,从而最小化寄生电感,并最大程度地减少缓冲组件的应用,如具有低等效串联电阻的电容器,进而实现振荡抑制目标。

此外,习惯于硅MOSFET电路设计的设计人员可能不太了解GaN器件的一些运行特性。许多GaN功率晶体管通常是耗尽型常开器件,而硅 MOSFET则广泛采用增强型常关设置。这就需要对栅极驱动电路进行一些微调,例如:调整驱动来产生负电压以完全关断GaN FET。尤其在使用半桥高侧功率转换器时,栅极驱动器必须具备良好的共模瞬态抗扰性,以便能调整高压摆率。

随着各种GaN新品陆续上市,英飞凌、安世半导体及恩智浦等领先半导体制造商纷纷投入设计相关解决方案,以帮助工程师应对新技术带来的挑战,更顺利地将GaN技术的优势融入设计中。

使用集成解决方案为设计人员提供便利

为解决使用GaN技术进行低寄生电感PCB 设计时所面临的布局约束,设计人员可以采用集成解决方案,如安世半导体GAN063-650WSAQ。这款650V、50mΩ的GaN FET是一种常关型器件,融合了安世半导体最先进的高压GaN和低压硅MOSFET技术。Nexperia GaN063

GAN063-650WSA将GaN和硅MOSFET技术集成到单个封装中,可为设计人员带来诸多便利,适用于工业和通信行业的功率转换器、光伏逆变器、电机驱动器以及功率因数校正前端。相比将同一器件的多个形态独立布建在 PCB上,它采用的集成式封装能够从根本上降低栅极环路的寄生效应。其次,GAN063-650WSA是一款增强型常关器件,且其30V的硅MOSFET可控制650V 功率晶体管,因而可以轻松地接入传统栅极驱动器电路。第三,其配套装置可确保为硬开关功率拓扑,如功率因数校正 (PFC) 前端采用的图腾柱配置,以及采用软开关技术的拓扑提供较高的瞬态抗扰性。

灵活应用坚固耐用的耐高温器件

英飞凌在功率晶体管设计方面拥有丰富经验,并持续采用多种技术来为每个目标市场提供合适的产品。英飞凌目前既提供硅基MOSFET和绝缘栅极双极型晶体管 (IGBT),同时还提供GaN和碳化硅 (SiC)产品。其中,碳化硅这种材料能够满足恶劣环境应用对坚固性和耐高温性的严苛要求。

英飞凌的600V CoolGaN系列功率晶体管,包括IGT60R070D1及器件均具有一个重要特性,即提供增强模式操作且易集成电路设计,同时还能提供超快速开关。IGT60R070D1的导通电阻仅70mΩ、栅极电容为5.8nC,且具备卓越的换向坚固性。Infineon CoolGaN

英飞凌还推出了EiceDRIVER系列IC,以便更轻松地驱动具有较高栅极电压的GaN 器件。由于具备更强的共模瞬态抗扰性,这些栅极驱动器能够实现IGT60R070D1等GaN晶体管的快速开关。隔离EiceDRIVER栅极驱动器不仅能够让设计人员灵活地调整PCB器件布局设计,还能产生负栅源电压来确保开关瞬变期间的安全关断状态,同时保护功率晶体管免受寄生导通的影响。该系列栅极驱动器IC还内置电气隔离,能够为硬开关半桥应用部署提供所需支持,例如PFC所需图腾柱拓扑。

实现射频功率传输

通过GaN实现的高开关频率适用于一系列射频功率传输应用,如工业加热、焊接和热封以及等离子体生成。恩智浦提供的MRF24G300HS等射频GaN功率晶体管专为2400-2450Mhz的无许可工业、科学和医疗 (ISM) 频段进行射频功率传输。为了提供出色的热性能,恩智浦的GaN晶体管采用SiC衬底,有助于确保连续波或脉冲操作。在连续波条件下,器件可提供336W的功率输出。

与传统硅MOSFET技术相比,GaN技术具有多项核心优势,不仅能持续支持创新应用构建,还能提供更紧凑、更高效电源。为充分利用GaN技术,工程师们可以通过从一类具有广泛设计支持能力的全球电子元器件分销商来选取合适的器件,并获得相关专业知识来推动未来项目设计及潜在新市场开发。

作者:e络盟分立半导体全球高级产品经理Adrian Cotterill

e络盟电源管理与混合信号全球高级产品经理Patricio Gomez Bello

责编:Amy Guan

本文为《电子工程专辑》2021年7月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。点击申请免费杂志订阅 

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