第三代半導體材料 — 氮化鎵(GaN),作為時下新興的半導體工藝技術,提供超越矽的多種優勢。與矽元件相比,GaN在電源轉換效率和功率密度上實現了性能的飛躍,廣泛應用於功率因數校正(PFC)、軟切換DC-DC等電源系統設計,以及電源適配器、光伏逆變器或太陽能逆變器、伺服器及通訊電源等終端領域。為了滿足市場對GaN的需求,安森美半導體與Transphorm聯合推出第一代Cascode GaN,共同推動GaN市場的發展。

GaN的優勢

從表1可見,GaN具備出色的擊穿能力、更高的電子密度及速度,和更高的工作溫度。GaN提供高電子遷移率,這意味著切換過程的反向恢復時間可忽略不計,因而表現出低損耗並提供高切換頻率,而低損耗加上寬頻寬元件的高接面溫度特性,可降低散熱量,高切換頻率可減少濾波器和無源元件如變壓器、電容、電感等的使用,最終減小系統尺寸和重量,提升功率密度,有助於設計人員實現緊湊的高能效電源方案。同為寬頻寬元件,GaN比SiC的成本更低,更易於商業化和具備廣泛採用的潛力。

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表1:半導體材料關鍵特性一覽

安森美半導體與Transphorm聯合推出第一代Cascode GaN

GaN在電源應用已證明能提供優於矽基元件的重要性能優勢。安森美半導體和功率轉換專家Transphorm就此合作,共同開發及共同推廣基於GaN的產品和電源系統方案,用於工業、電腦、通訊、LED照明及網路領域的各種高壓應用。去年,兩家公司已聯名推出600 V GaN 級聯結構(Cascode)電晶體NTP8G202N和NTP8G206N,兩款元件的導通電阻分別為290 mΩ和150 mΩ,閘極電荷均為6.2 nC,輸出電容分別為36 pF和56 pF,反向恢復電荷分別為0.029 μC和0.054 μC,採用優化的TO-220封裝,易於根據客戶現有的制板能力而整合。

基於同一導通電阻等級,第一代600 V矽基GaN(GaN-on-Si)元件已比高壓矽MOSFET提供好4倍以上的閘極電荷、更好的輸出電荷、差不多的輸出電容和好20倍以上的反向恢復電荷,並將有待繼續改進,未來GaN的優勢將會越來越明顯。

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表2:第一代600 V GaN-on-Si HEMT 與高壓MOSFET比較

Cascode相當於由GaN HEMT和低壓MOSFET組成:GaN HEMT可承受高電壓,過電壓能力達到750 V,並提供低導通電阻,而低壓MOSFET提供低閘極驅動和低反向恢復。HEMT是高電子遷移率電晶體的英文縮寫,通過二維電子氣在橫向傳導電流下進行傳導。

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圖1:GaN內部架構及級聯結構

使用600 V GaN Cascode的三大優勢是:
1. 具有卓越的自體二極體特性:級聯建立在低壓矽技術上,且反向恢復特別低;
2. 容易驅動:設計人員可使用像普通MOSFET一樣的傳統閘極驅動器,採用電壓驅動,且驅動由低壓矽MOSFET的閾值電壓和閘極電荷決定;
3. 高可靠性:通過長期應用級測試,且符合JEDEC行業標準(通過標準為:0個擊穿、最終的漏電流低於規格門限、導通電阻低於規格門限)。

PFC能效測試曲線

在許多現有電路拓墣中,Cascode GaN比Si提供更高能效。如圖2所示,在連續導電模式(CCM)升壓PFC拓墣中,在200 KHz和120 Vac輸入的條件下,Cascode GaN較超結合Si(SJ Si)提升近1%的效率,隨著頻率的升高,GaN的優勢更為明顯。

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圖2:CCM 升壓PFC 在200 kHz 和120 Vac 輸入.

採用GaN還使得圖騰柱(Totem Pole)電路成為可能,較傳統CCM升壓PFC提供更高能效。

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圖3:傳統CCM升壓FPC vs. 圖騰柱電路

設計注意事項

採用GaN設計電源時,為降低系統EMI,需考慮幾個關鍵因素:首先,對於Cascode結構的GaN,閾值非常穩定地設定在2 V,即5 V導通, 0 V關斷,且提供± 18 V閘極電壓,因而無需特別的驅動器。其次,佈線很重要,儘量以短距離、小回路為原則,以最大限度地減少元件空間,並分開驅動回路和電源回路,而且需使用解調電容。對於硬切換橋式電路,使用磁珠而不是閘極電阻,不要用反向二極體,使用解調母線電容。

此外,必須使用衝擊保護元件,並通過適當的散熱確保熱性能,並行化可通過匹配閘極驅動和電源回路電阻完成,當以單個點連接時,要求電源和訊號元件獨立接地。

示例:利用GaN設計12 V/20 A 一體化工作站電源

一體化工作站正變得越來越輕薄,要求更輕和更小的電源轉換器,這通常通過提高切換頻率來實現。傳統Si MOSFET在高頻工作下的切換和驅動損耗是一個關鍵制約因素。GaN HEMT提供較傳統MOSFET更低的閘極電荷和導通電阻,從而實現高頻條件下的更高電源轉換能效。

演示板設計為240 W通用板,它輸出20 A的負載電流和12 V輸出電壓,功率因數超過98%,滿載時總諧波失真(THD)低於17%。電源轉換器前端採用功率因數校正(PFC) IC,將AC轉換為調節的385 V DC匯流排電壓。升壓轉換器中的電感電流工作於CCM。升壓PFC段採用安森美半導體的NCP1654控制器。次級是隔離的DC-DC轉換器,將385 V DC匯流排電壓轉換為12 V DC輸出電壓。隔離的DC-DC轉換通過採用LLC諧振拓墣實現。次級端採用同步整流以提供更高能效。LLC電源轉換器採用安森美半導體的NCP1397,提供97%的滿載效率,而同步整流驅動器是NCP4304。NCP432用於回饋路徑以調節輸出電壓。演示板採用GaN HEMT作為PFC段和LLC段原邊的切換,提供0.29 mΩ的低導通電阻和> 100 V/ns 的高dv/dt,因而導致切換和導通損耗低,其低反向恢復電荷產生最小的反向恢復損耗。

其中,NCP1654提供可編程的過流保護、欠壓檢測、過壓保護、軟啟動、CCM、平均電流模式或峰值電流模式、可編程的過功率限制、衝擊電流檢測。NCP1397提供精確度為3%的可調節的最小切換頻率、欠壓輸入、1 A/0.5 A峰值汲/源電流驅動、基於計時器的過流保護(OCP)輸入具自動恢復、可調節的從100 ns至2 μs的死區時間、可調節的軟啟動。NCP4304的關鍵特性包括具可調節閾值的精密的真正次級零電流檢測、自動寄生電感補償、從電流檢測輸入到驅動器的關斷延遲40 ns、零電流檢測引腳耐受電壓達200 V、可選的超快觸發輸入、禁用引腳、可調的最小導通時間和最小關斷時間、5 A/2.5 A峰值電流汲/源驅動能力、工作電壓達30 V。

經過頻譜分析儀和LISN測試,該設計的EMI符合EN55022B標準,並通過2.2 kV共模模式和1.1 kV 差分模式的衝擊測試。輸入電壓為115 Vac和230 Vac時,系統峰值效率分別超過95%和94%。該參考設計較現有採用矽的216 W電源參考設計減小25%的尺寸,提升2%的效率。

關於此參考設計的電路原理圖、佈線文檔、物料單、設計提示及測試流程可於http://www.onsemi.cn/PowerSolutions/evalBoard.do?id=NCP1397GANGEVB下載。

總結

GaN超越矽,可實現更快速切換、更緊湊的尺寸、更高功率密度及更高的電源轉換能效,適用於交換式電源供應器和其他在能效及功率密度至關重要的應用。高能效的電源轉換有利於軟切換電路拓墣結構回收能量,如相移全橋、半橋或全橋LLC、同步升壓等。隨著更多工程師熟悉GaN元件的優勢,基於GaN的產品需求將快速增長。得益於技術的發展和市場的成長,將有望降低採用GaN的成本。安森美半導體憑藉多元的知識產權陣容和專長,結合功率轉換專家Transphorm無與倫比的GaN知識,正工作於新的發展前端,致力推進市場對GaN的廣泛採納。

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