【導讀】根據Yole Development公司的研究報告預測，氮化鎵器件全球市場(chǎng)份額在2011年至2015年間年同比增長(cháng)率為250%，而碳化硅器件在同期的年同比增長(cháng)率則只有35%。氮化鎵目前被推薦為極具潛力的材料，可以應用于廣闊的領(lǐng)域，包括無(wú)線(xiàn)電源傳送、射頻直流-直流波峰追蹤及高能量脈沖激光等應用。本文將為大家介紹氮化鎵的知識。
作為第三代半導體材料的典型代表,寬禁帶半導體氮化鎵(GaN)具有許多硅材料所不具備的優(yōu)異性能,是高頻、高壓、高溫和大功率應用的優(yōu)良半導體材料,在民用和軍事領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。隨著(zhù)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(zhù)名半導體廠(chǎng)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(guò)研究，現在仍然作為已普及的發(fā)光二極管(LED)照明的核心部件藍色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造。晶體管有源極、柵極、漏極3個(gè)電極，Si和SiC功率元器件稱(chēng)為“縱向型”，一般結構是源極和柵極在同一面，漏極電極在基板側。GaN為源極、柵極、漏極所有電極都在同一面的“橫向型”結構。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構。
之所以采用橫向型結構，是因為希望將存在于A(yíng)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(huì )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，由于晶格常數不同，如果形成如圖1中的AlGaN/GaN異質(zhì)結，為了匹配晶格常數，晶體畸變，還會(huì )發(fā)生極化失真。因這種無(wú)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?？斓拈_(kāi)關(guān)動(dòng)作。但是，其另外一面，相反，由于電子流動(dòng)的路徑常時(shí)存在，因此成為柵極電壓即使為0V電流也會(huì )流過(guò)的稱(chēng)為“常開(kāi)型(normally-on)”的元件。
圖1：GaN晶體管的單元晶體管基本結構
圖2：AlGaN GaN異質(zhì)節能帶結構
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)現與Si相同的縱向型結構，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所示的橫向型結構較難提升耐壓性能，這一點(diǎn)通過(guò)Si元件既已明了，只要GaN也采用圖1的結構，物理特性上本應實(shí)現的耐壓性能就很難發(fā)揮出來(lái)。但是，本來(lái)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(guò)增加柵極/漏極間的距離，而這樣芯片就會(huì )增大，芯片增大就意味著(zhù)成本上升。
只要采用圖1的結構，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(lái)的高頻動(dòng)作性能。
基于原型eGaN FET的PSE轉換器
針對48V至53V基于eGaN FET的半磚供電設備轉換器，可以選擇采用全橋同步整流器(FBSR)拓撲的相移全橋(PSFB)轉換器(如圖3所示)。由于功率較高，在半磚體積中構建了兩個(gè)交錯式轉換器，而不是采用并聯(lián)器件的單個(gè)轉換器。這樣做不僅避免了并聯(lián)器件所產(chǎn)生的復雜性，而且使用兩個(gè)獨立的轉換器理論上允許通過(guò)切相來(lái)提高輕載時(shí)的效率。圖4顯示了一相和兩相工作時(shí)的效率結果，其中采用簡(jiǎn)單切相時(shí)的輕載效率提高了至少2%。
每個(gè)轉換器的工作頻率為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(kāi)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建兩個(gè)這樣的轉換器。選擇4:7的變壓器匝比意味著(zhù)，當VIN為60V時(shí)，副邊繞組電壓(不包括開(kāi)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(jiàn)圖6。從圖中可以看出，與傳統磚式設計不同，磁性元件沒(méi)有集成在主印刷電路板上，而是安放在幾個(gè)獨立的印刷電路板上。這樣不僅能夠減少主印刷電路板所需的層數，而且允許輸出濾波器使用傳統的表面貼裝電感。轉換器使用八層、每層兩盎司銅的印刷電路板。變壓器繞組是通過(guò)在繞組窗口層疊兩個(gè)八層電路板(并聯(lián))而創(chuàng )建的。
圖3：使用eGaN FET實(shí)現全橋同步整流(FBSR)(兩個(gè)半磚、交錯式250kHz轉換器)的350W全穩壓的相移全橋(PSFB)拓撲。
圖4：采用基于eGaN FET原型設計的半磚PSE轉換器在單相(一半轉換器斷電)和正常兩相工作時(shí)的效率數據。
圖5：采用eGaN FET設計、工作在250kHz開(kāi)關(guān)頻率的八分之一磚式、38V~60V至53V/70W轉換器的原理圖。
圖6：采用eGaN FET設計的48V至53V半磚PSE轉換器的頂視圖和底視圖(單位為英寸)。
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PSE轉換器的比較
采用eGaN FET設計的半磚PSE轉換器可以與類(lèi)似的48V至(約)53V全穩壓商用半磚轉換器來(lái)進(jìn)行比較。如前所述，這些商用轉換器覆蓋了表1所列出的各種拓撲和配置。為了重點(diǎn)說(shuō)明基于eGaN FET的原型與這些轉換器是如何比較的，本文選擇了兩種產(chǎn)品(圖7中的B和D轉換器)來(lái)展示全面結果。
圖7：商用半磚PSE轉換器的比較。
D轉換器是一種傳統的單級、單變壓器的單轉換器，它具有與原型相似的拓撲(雖然eGaN FET的原型含有兩個(gè)并聯(lián)轉換器)。圖8和圖9所示的效率比較表明，使用較低開(kāi)關(guān)頻率可以實(shí)現輕載效率的優(yōu)勢，并且通過(guò)仔細設計磁芯損耗和漏電感則有可能實(shí)現輕載優(yōu)化。相比之下，eGaN FET轉換器的磁芯僅是為了實(shí)現最小的漏電感和在75%更高的開(kāi)關(guān)頻率下審慎切換。這樣，雖然輕載時(shí)的效率較低，但在大約50%負載時(shí)，eGaN FET原型在相似的轉換器總損耗及滿(mǎn)負載條件下將最終產(chǎn)生高出25%的功率(損耗比較見(jiàn)圖8)。
用作比較的第二個(gè)商用的半磚式轉換器(B轉換器)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(gè)獨立且并聯(lián)工作的轉換器。兩級方案的優(yōu)勢是支持未調節隔離級轉換器的效率優(yōu)化，因為它工作在固定的占空比和電壓，與轉換器輸入電壓無(wú)關(guān)，同時(shí)，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(lái)的額外導通損耗，以及復雜性和器件數量的增加。
eGaN FET原型和兩級轉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(guò)程，因為在標稱(chēng)48V輸入時(shí)達到了峰值效率。拓撲間的差異可以通過(guò)比較38V(低壓線(xiàn))輸入電壓的結果來(lái)描述：由于兩級轉換器采用了升壓調節電路，低壓線(xiàn)電壓實(shí)際上是最差的情況(導通損耗增加，開(kāi)關(guān)損耗沒(méi)有明顯的降低)，而對傳統的單級方案來(lái)說(shuō)，低壓線(xiàn)是最好的情況，因為其開(kāi)關(guān)損耗最小。
兩級轉換器在低壓線(xiàn)處的功耗幾乎接近50W(在相同條件下幾乎是eGaN FET轉換器的兩倍)(見(jiàn)圖11)，而在75V(高壓線(xiàn))輸入損耗在工作電壓高出25%時(shí)，則比基于eGaN FET的轉換器高出15%。
圖8：eGaN FET原型半磚PSE轉換器與D轉換器(商用MOSFET解決方案)半磚PSE轉換器的效率比較。
圖9：eGaN FET原型與D轉換器半磚PSE轉換器的功耗比較。
圖10：eGaN FET原型與B轉換器半磚PSE轉換器的效率比較。
圖11：eGaN FET原型與B轉換器半磚PSE轉換器的功耗比較。
對采用eGaN FET原型設計的全穩壓半磚式供電設備轉換器與類(lèi)似的MOSFET轉換器進(jìn)行了比較。與可比的先進(jìn)商用轉換器相比，eGaN FET原型工作在約高出兩倍的開(kāi)關(guān)頻率時(shí)，性能可以得以充分發(fā)揮。與最接近的商用轉換器相比，其輸出功率可以高出100W。
值得注意的是，在磚式轉換器設計中，拓撲的選擇和器件的優(yōu)化與選擇最佳功率器件同樣重要。所有擅長(cháng)于這些工藝的工程師應該能夠進(jìn)一步改善本文所討論的eGaN FET原型的性能。
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