【導(dǎo)讀】根據(jù)Yole Development公司的研究報告預(yù)測，氮化鎵器件全球市場份額在2011年至2015年間年同比增長率為250%，而碳化硅器件在同期的年同比增長率則只有35%。氮化鎵目前被推薦為極具潛力的材料，可以應(yīng)用于廣闊的領(lǐng)域，包括無線電源傳送、射頻直流-直流波峰追蹤及高能量脈沖激光等應(yīng)用。本文將為大家介紹氮化鎵的知識。
作為第三代半導(dǎo)體材料的典型代表,寬禁帶半導(dǎo)體氮化鎵(GaN)具有許多硅材料所不具備的優(yōu)異性能,是高頻、高壓、高溫和大功率應(yīng)用的優(yōu)良半導(dǎo)體材料,在民用和軍事領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。隨著GaN技術(shù)的進(jìn)步,特別是大直徑硅(Si)基GaN外延技術(shù)的逐步成熟并商用化,GaN功率半導(dǎo)體技術(shù)有望成為高性能低成本功率技術(shù)解決方案,從而受到國際著名半導(dǎo)體廠商和研究單位的關(guān)注。
氮化鎵原理：
GaN功率元器件是指電流流通路徑為GaN的元器件。“GaN”曾被作為發(fā)光材料進(jìn)行過研究，現(xiàn)在仍然作為已普及的發(fā)光二極管(LED)照明的核心部件藍(lán)色LED用材料廣為使用。
GaN與Si和SiC元件的不同之處在于元件的基本“形狀”。圖1為使用GaN的電子元器件的一般構(gòu)造。晶體管有源極、柵極、漏極3個電極，Si和SiC功率元器件稱為“縱向型”，一般結(jié)構(gòu)是源極和柵極在同一面，漏極電極在基板側(cè)。GaN為源極、柵極、漏極所有電極都在同一面的“橫向型”結(jié)構(gòu)。在以產(chǎn)業(yè)化為目的的研究中，幾乎都采用這種橫向型結(jié)構(gòu)。
之所以采用橫向型結(jié)構(gòu)，是因?yàn)橄Ｍ麑⒋嬖谟贏lGaN/GaN界面的二維電子氣(2DEG)作為電流路徑使用。GaN既是具有自發(fā)電介質(zhì)極化(自發(fā)極化)的晶體，也是給晶體施加壓力即會重新產(chǎn)生壓電極化(極化失真)的壓電材料。AlGaN與GaN在自發(fā)極化存在差別，由于晶格常數(shù)不同，如果形成如圖1中的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)，為了匹配晶格常數(shù)，晶體畸變，還會發(fā)生極化失真。因這種無意中產(chǎn)生的電介質(zhì)極化之差，如圖2所示，GaN的禁帶向AlGaN下方自然彎曲。因此，其彎曲部分產(chǎn)生2DEG。由于這種2DEG具有較高的電子遷移率(1500cm2/Vs左右)，因此可進(jìn)行非常快的開關(guān)動作。但是，其另外一面，相反，由于電子流動的路徑常時存在，因此成為柵極電壓即使為0V電流也會流過的稱為“常開型(normally-on)”的元件。
圖1：GaN晶體管的單元晶體管基本結(jié)構(gòu)
圖2：AlGaN GaN異質(zhì)節(jié)能帶結(jié)構(gòu)
正如之前所提及的，對WBG材料的最大期待是提高耐壓性能。由于SiC基本可以實(shí)現(xiàn)與Si相同的縱向型結(jié)構(gòu)，因此發(fā)揮材料特性的耐壓性能得以提升。但是，GaN則情況不同。圖1所示的橫向型結(jié)構(gòu)較難提升耐壓性能，這一點(diǎn)通過Si元件既已明了，只要GaN也采用圖1的結(jié)構(gòu)，物理特性上本應(yīng)實(shí)現(xiàn)的耐壓性能就很難發(fā)揮出來。但是，本來對WBG材料的期待就是耐壓特性，因此，發(fā)布的GaN元器件多為耐壓提升產(chǎn)品。但是，提升耐壓性能的方法基本上只能通過增加?xùn)艠O/漏極間的距離，而這樣芯片就會增大，芯片增大就意味著成本上升。
只要采用圖1的結(jié)構(gòu)，GaN功率元器件的特點(diǎn)不僅是耐壓性能，還有使用２DEG的高速電子遷移率而來的高頻動作性能。
基于原型eGaN FET的PSE轉(zhuǎn)換器
針對48V至53V基于eGaN FET的半磚供電設(shè)備轉(zhuǎn)換器，可以選擇采用全橋同步整流器(FBSR)拓?fù)涞南嘁迫珮?PSFB)轉(zhuǎn)換器(如圖3所示)。由于功率較高，在半磚體積中構(gòu)建了兩個交錯式轉(zhuǎn)換器，而不是采用并聯(lián)器件的單個轉(zhuǎn)換器。這樣做不僅避免了并聯(lián)器件所產(chǎn)生的復(fù)雜性，而且使用兩個獨(dú)立的轉(zhuǎn)換器理論上允許通過切相來提高輕載時的效率。圖4顯示了一相和兩相工作時的效率結(jié)果，其中采用簡單切相時的輕載效率提高了至少2%。
每個轉(zhuǎn)換器的工作頻率為250kHz，其輸出紋波頻率為1MHz。圖5顯示了更完整的原理圖。其目的是要顯示由于開關(guān)頻率的提高和氮化鎵器件的尺寸相對較小，可以在有限的體積中構(gòu)建兩個這樣的轉(zhuǎn)換器。選擇4:7的變壓器匝比意味著，當(dāng)VIN為60V時，副邊繞組電壓(不包括開關(guān)尖峰)大約為105V，因此，副邊可以使用200V的器件，原邊則可以使用100V的器件。
基于eGaN FET的實(shí)際原型見圖6。從圖中可以看出，與傳統(tǒng)磚式設(shè)計不同，磁性元件沒有集成在主印刷電路板上，而是安放在幾個獨(dú)立的印刷電路板上。這樣不僅能夠減少主印刷電路板所需的層數(shù)，而且允許輸出濾波器使用傳統(tǒng)的表面貼裝電感。轉(zhuǎn)換器使用八層、每層兩盎司銅的印刷電路板。變壓器繞組是通過在繞組窗口層疊兩個八層電路板(并聯(lián))而創(chuàng)建的。
圖3：使用eGaN FET實(shí)現(xiàn)全橋同步整流(FBSR)(兩個半磚、交錯式250kHz轉(zhuǎn)換器)的350W全穩(wěn)壓的相移全橋(PSFB)拓?fù)洹?/div>
圖4：采用基于eGaN FET原型設(shè)計的半磚PSE轉(zhuǎn)換器在單相(一半轉(zhuǎn)換器斷電)和正常兩相工作時的效率數(shù)據(jù)。
圖5：采用eGaN FET設(shè)計、工作在250kHz開關(guān)頻率的八分之一磚式、38V~60V至53V/70W轉(zhuǎn)換器的原理圖。
圖6：采用eGaN FET設(shè)計的48V至53V半磚PSE轉(zhuǎn)換器的頂視圖和底視圖(單位為英寸)。
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PSE轉(zhuǎn)換器的比較
采用eGaN FET設(shè)計的半磚PSE轉(zhuǎn)換器可以與類似的48V至(約)53V全穩(wěn)壓商用半磚轉(zhuǎn)換器來進(jìn)行比較。如前所述，這些商用轉(zhuǎn)換器覆蓋了表1所列出的各種拓?fù)浜团渲谩榱酥攸c(diǎn)說明基于eGaN FET的原型與這些轉(zhuǎn)換器是如何比較的，本文選擇了兩種產(chǎn)品(圖7中的B和D轉(zhuǎn)換器)來展示全面結(jié)果。
圖7：商用半磚PSE轉(zhuǎn)換器的比較。
D轉(zhuǎn)換器是一種傳統(tǒng)的單級、單變壓器的單轉(zhuǎn)換器，它具有與原型相似的拓?fù)?雖然eGaN FET的原型含有兩個并聯(lián)轉(zhuǎn)換器)。圖8和圖9所示的效率比較表明，使用較低開關(guān)頻率可以實(shí)現(xiàn)輕載效率的優(yōu)勢，并且通過仔細(xì)設(shè)計磁芯損耗和漏電感則有可能實(shí)現(xiàn)輕載優(yōu)化。相比之下，eGaN FET轉(zhuǎn)換器的磁芯僅是為了實(shí)現(xiàn)最小的漏電感和在75%更高的開關(guān)頻率下審慎切換。這樣，雖然輕載時的效率較低，但在大約50%負(fù)載時，eGaN FET原型在相似的轉(zhuǎn)換器總損耗及滿負(fù)載條件下將最終產(chǎn)生高出25%的功率(損耗比較見圖8)。
用作比較的第二個商用的半磚式轉(zhuǎn)換器(B轉(zhuǎn)換器)采用的是兩級方案。雖然兩級方案與原型方案不同，但二者都把輸出功率分布到兩個獨(dú)立且并聯(lián)工作的轉(zhuǎn)換器。兩級方案的優(yōu)勢是支持未調(diào)節(jié)隔離級轉(zhuǎn)換器的效率優(yōu)化，因?yàn)樗ぷ髟诠潭ǖ恼伎毡群碗妷海c轉(zhuǎn)換器輸入電壓無關(guān)，同時，這種受控的輸入/輸出電壓允許使用具 有更好品質(zhì)因素的更低額定電壓的器件。其缺點(diǎn)是兩級電路所帶來的額外導(dǎo)通損耗，以及復(fù)雜性和器件數(shù)量的增加。
eGaN FET原型和兩級轉(zhuǎn)換器之間的效率比較如圖10所示。它顯示了產(chǎn)品最優(yōu)化的過程，因?yàn)樵跇?biāo)稱48V輸入時達(dá)到了峰值效率。拓?fù)溟g的差異可以通過比較38V(低壓線)輸入電壓的結(jié)果來描述：由于兩級轉(zhuǎn)換器采用了升壓調(diào)節(jié)電路，低壓線電壓實(shí)際上是最差的情況(導(dǎo)通損耗增加，開關(guān)損耗沒有明顯的降低)，而對傳統(tǒng)的單級方案來說，低壓線是最好的情況，因?yàn)槠溟_關(guān)損耗最小。
兩級轉(zhuǎn)換器在低壓線處的功耗幾乎接近50W(在相同條件下幾乎是eGaN FET轉(zhuǎn)換器的兩倍)(見圖11)，而在75V(高壓線)輸入損耗在工作電壓高出25%時，則比基于eGaN FET的轉(zhuǎn)換器高出15%。
圖8：eGaN FET原型半磚PSE轉(zhuǎn)換器與D轉(zhuǎn)換器(商用MOSFET解決方案)半磚PSE轉(zhuǎn)換器的效率比較。
圖9：eGaN FET原型與D轉(zhuǎn)換器半磚PSE轉(zhuǎn)換器的功耗比較。
圖10：eGaN FET原型與B轉(zhuǎn)換器半磚PSE轉(zhuǎn)換器的效率比較。
圖11：eGaN FET原型與B轉(zhuǎn)換器半磚PSE轉(zhuǎn)換器的功耗比較。
對采用eGaN FET原型設(shè)計的全穩(wěn)壓半磚式供電設(shè)備轉(zhuǎn)換器與類似的MOSFET轉(zhuǎn)換器進(jìn)行了比較。與可比的先進(jìn)商用轉(zhuǎn)換器相比，eGaN FET原型工作在約高出兩倍的開關(guān)頻率時，性能可以得以充分發(fā)揮。與最接近的商用轉(zhuǎn)換器相比，其輸出功率可以高出100W。
值得注意的是，在磚式轉(zhuǎn)換器設(shè)計中，拓?fù)涞倪x擇和器件的優(yōu)化與選擇最佳功率器件同樣重要。所有擅長于這些工藝的工程師應(yīng)該能夠進(jìn)一步改善本文所討論的eGaN FET原型的性能。
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