氮化镓功率器件的潜能、优势与成功应用的关键

2017-11-13 来源:贸泽电子作者:Bill Schweber 我要评论(0) 字号:

在过去的十多年里,行业专家和分析人士一直在预测,基于氮化镓(GaN)功率开关器件的黄金时期即将到来。与应用广泛的MOSFET硅功率器件相比,基于GaN的功率器件具有更高的效率和更强的功耗处理能力。这些优势正是当下高功耗高密度系统、服务器和计算机所需要的,可以说专家所预测的拐点已经到来!

时下,多个厂商正在大量的生产GaN器件,这些GaN器件正在被应用于工业、商业甚至要求极为严格的汽车领域的电力和电机控制中。他们的接受度和可信度正在逐渐提高。(请注意,基于GaN的射频功放或功放也取得了很大的成功,但与GaN器件具有不同的应用场合,超出了本文的范围。)本文探讨了GaN器件的潜力,GaN和MOSFET器件的不同,GaN驱动器件成功的关键并介绍了减小栅极驱动环耦合噪声技术。

为什么GaN器件得到了发展?

基于硅的MOSFET器件已经取得了巨大的成功,目前,它们已经在几十瓦到几百瓦甚至上千瓦功率的应用场合成为了标准,如AC/DC、DC/DC以及电机驱动等领域。硅MOSFET器件已经对多个参数进行了优化,如通导通阻RDS(ON)、额定电压、开关速度、封装等。这些MOSFET性能的提高已经趋于稳定,因为目前的性能已经接近了物理材料的理论极限。

这给氮化镓功率器件的发展创造了条件。GaN是一种高电子迁移率晶体管(HEMT),如图1所示。高电子迁移率晶体管意味着GaN器件的临界电场强度大于硅。对于相同的片上电阻和击穿电压,GaN的尺寸更小。GaN还具有极快的开关速度和优异的反向恢复性能,在低损耗、高效率的应用场合这一点十分重要的。600/650V等级的GaN晶体管现在已经广泛使用,具有广泛的应用前景。

图1、GaN器件建立在硅衬底上,有一个二维横向的电子通道(2DEG)和AlGaN/GaN异位外延结构,提供了极高的电荷密度和迁移率。当门级电压为零(左图)时,晶体管截止,当门级电压超过阈值电压时(中间和右图),晶体管导通。(来源: GaN Systems)

GaN器件分为两种类型:

耗尽型:耗尽型GaN晶体管常态下是导通的,为了使它截止必须在源漏之间加一个负电压。

增强型:增强型GaN晶体管常态下是截止的,为了使它导通必须在源漏之间加一个正电压。

两种类型的不同,不仅仅在于他们的操作模式不同。对于耗尽型器件,在应用时需要解决启动问题,在启动时必须首先加一个负压,使器件截止,以避免在启动过程中产生短路电流。与之相反,增强型器件的常态是关闭的,当栅极上没有偏置电压时,源漏之间不会有电流通过,这是理想的启动状态。为了解决耗尽模式GaN器件的这个缺点,它们通常被封装在一个带有低电压的硅MOSFET的级联结构中,从而避免出现这种情况

GaN与MOSFET

GaN与MOSFET器件有不同之处,也有相同之处。首先来看看它们的相同之处。虽然GaN的参数值和MOSFET不同(这也正是GaN具有吸引力的原因),但很多术语是相同的。比如他们都有源级、漏级和栅极,他们的关键参数都是导通电阻和击穿电压。

当然,它们的相似之处远超这些表层内容。MOSFET和增强型GaN常态下都是关闭的,并且都是电压驱动的(不是电流驱动),都有输入电容,输入电容必须由驱动电路进行充放电。充放电的波形和转换速率都是影响其性能的重要因素。

此外,他们之间的差异也很大,除了明显的半导体材料和工艺外,还有很多显著的差异。首先,GaN的导通电阻非常低,这使得静态功耗显著降低,提高了效率。另外,GaN FET的结构使其输入电容非常低,提高了开关速度。GaN器件可以在纳秒内电压上升到几百伏,支持几MHz频率的大电流转换。(最新一代的器件可以应用在几百MHz的场合)。这意味着GaN具有更高的效率,并可以使用更少的电磁学和被动元件。

一个具有代表性的GaN器件是GaN Systems 的GS66516B——650V增强型GaN功率晶体管,它具有大电流、高电压击穿和高的开关频率(图2)。该晶体管具有6个引脚,底部散热,如图3,封装尺寸只有11×9毫米,具有非常低的管壳热阻,导通电阻仅为25mΩ,最大漏源电流为10A,开关频率超过10MHz。

图2、GaN Systems的GS66516B 650V增强性GaN晶体管,具有6个引脚,电流提高了两倍,杂散电感更小。(来源:GaN Systems)

图3、GaN Systems的GS66516B 封装尺寸11x9mm,底部扇热,可以达到最优的扇热效果。(来源: GaN Systems)

 

驱动是GaN成功的关键

无论是GaN还是MOSFET,一个可靠并且合适的驱动是器件可以稳定运行的关键。简单来说,驱动电路就是低压、低电流的MCU数字接口和高压、高电流、高速度的功耗器件之间的电路。

当然,驱动所扮演的角色远不止于此。驱动必须能够以足够高的速度对栅极上的电容进行充电,使晶体管开启,同时不会引起振铃和过冲。在关断模式下,它必须能够快速的对栅极电容进行放电,不引起振铃或过冲。它必须始终如一的这么做,并且保持恰当的时钟倾斜以避免shoot-through短路。

决定GaN驱动器件的主要参数有三个:最大栅极电压,栅极阈值电压和体二极管压降。增强型GaN器件的栅源电压是6V,大约是MOSFET的一半,这简化了产生所需开关电压和电流的挑战。栅极电压也比大多数功率MOSFET低,同时具有较低的负温度系数,这也简化了驱动补偿问题。体二极管的正向电压降,是器件结构的固有属性,GaN器件比同等的硅MOSFET的电压要高。

通过一些数字对比可以更明显的看出GaN与MOSFET的区别。

GaN比硅MOSFET开关速度更快,dV/dt的转换率大于100V/nsec。对于具有相同RDS(ON)等级的MOSFET和GaN,GaN的开启时间比MOSFET快4倍,关断时间快2倍。虽然越快越好,但这也给驱动电路带来了新的挑战。米勒效应也同样影响了晶体管的开启/关断速度和波形(你还记得半导体器件物理里面的米勒效应吗),对于具有相同RDS(ON)的GaN和MOSFET,GaN的米勒电荷更少,因此GaN可以更快地开启/关闭,这是一个优势。

然而,高的速度可能会引起在转换过程中,使桥上的器件组产生shoot-through,从而对效率产生不利影响。因此,必须控制栅极驱动的上拉电阻,以最大限度地减少传输时间,同时不改变其他特性,这也提供了一种避免过冲和振铃的方法。这可以避免开启/关闭故障,同时减小EMI的产生。虽然分析变得十分复杂(图4和图5),但在阈值电压较低的GaN器件中,最简单的解决方案就是将驱动栅极的上升和下拉电阻分开,并在需要时插入一个离散的电阻(图6)。

图4、一个GaN需要开启的场景模型。(来源: GaN Systems)

图5、一个GaN需要关断的场景模型。(来源: GaN Systems)

图6、通过使用独立的栅极驱动电阻来实现导通和关断,每个阶段都可以得到优化的性能,同时改善振铃、过冲等不良特性。(来源:GaN Systems)

简言之,一个不起眼的无源电阻(或电阻对)成为了成功驱动的关键因素,平衡了相关的参数。合适大小的栅极开启/关闭电阻可以使性能优越、驱动稳定,因此推荐使用独立的栅极驱动电阻。

为了控制Miller效应的影响,这个电阻一般控制在5到10Ω之间。如果开启栅极电阻太大(如10到20Ω),开启的dV/dt速度就会降低,导致开关速度慢。如果转换速度太慢,会出现开关损耗,但这一次是由于Miller效应和潜在的栅极振荡导致的。对于关断来说,栅极需要尽快被拉低,因此栅极电阻通常是1和2Ω。

许多厂商都提供了门驱动芯片,这些芯片是十分有价值的,允许用户为选定的GaN器件、转换速度和其他因素进行调节。在这些驱动芯片中,来自TI的LMG1205可用于增强型GaN FET。它可以在同步的buck、boost或半桥配置中驱动晶体管的高侧或低侧。它为高端和低端提供独立的输入,以获得最大的控制灵活性;峰值电流1.2A,峰值下降电流为5A以防止在转换期间产生不必要开启。门输出具有很强的灵活性,可以独立调整开启和关断电流。

图7、TI LMG1205 门级驱动器的很多特性适用于GaN。(来源:TI)

输入电压兼容TTL电平,并且最大输入电压可以高达14V,而不考虑VDD轨电压。同时,在高侧/低侧的应用中,低传播延迟和轨到轨的时钟倾斜对效率也是至关重要的。LMG1205具有35ns的典型传播延迟和1.5 ns传播匹配延迟。

其他可用与GaN驱动的芯片还包括Silicon Labs的Si827x系列,Analog Devices的ADuM4223A/B系列,Maxim的max 5048c和TI的LM5113。此外,现有的、已经广泛使用的部分MOSFET驱动芯片也可以用在一些低频率的GaN器件中。

成功不只来自于一个电路

每一个拥有高速电路设计经验的工程师都知道,电路和系统的优化仅仅是系统成功的一部分。在GaN器件和电路中,控制和尽量减少从电源到栅极驱动回路的噪声耦合是至关重要的。高dV/dt和di/dt,加上低输入电容和门限值,很容易导致严重的噪声。米勒效应可能导致栅极振铃或持续振荡。其结果将导致晶体管错误的开启或关闭,导致整个系统故障。

在许多可能的原因中,栅极振荡经常是由反馈路径的杂散电感导致的,以及从电源到栅极回路或者通过栅极和漏极之间的米勒效应电容耦合导致的。通常使用多层的方法来解决这些问题。

该技术包括通过布局来减少杂散电感;通过将门级驱动尽可能靠近GaN器件栅极来减小外部栅极到漏极的耦合;采用低电感,宽PCB板走线;使用开尔文源连接来最小化公共源电感;甚至扩展到采用电隔离电源轨。其他方法包括调整栅极驱动电阻值以微调导通转换速率;使用负偏压(-3V)关断;与栅极串联加入铁氧体磁珠,以减少高频LC振铃和过冲;并且可可以在栅源路径上添加RC“缓冲器”。

结论

基于GaN的开关器件已经真正的变得成熟。目前已经拥有完善的生态系统,包括建模和仿真工具,必要的驱动芯片,应用支持,现场应用经验,并且拥有多个知名供应商和初创企业。这些GaN器件的性能远超目前和在可预见的未来MOSFET能够具有的。然而,GaN器件的高速度也意味着在使用时需要更合理周密的设计,如需要更多的考虑他们的栅极驱动,电压和电流转换速率,电流等级,噪声源和耦合布局考虑因素对导通和关断所带来的影响。

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主题阅读: 氮化镓  功率器件

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