DC-DC使用GaN技术

2022-9-16
A GaN chip on a circuit board with blue and violet light rays
GaN是氮化镓的化学名称缩写，属于第三代半导体，通常被称为「宽带隙」半导体（WBG），因为它需要相对较高的能量(与Si相比) 才能将原子的电子从价带(如绝缘体)击至导带(如导体)。

目录

若涉及到电子控制开关时，您需要一种材料在关闭时具有高击穿电场（例如阻断电压），开启时导电通道具有极低电阻，这就是为什么WBG材料能够成为出色的半导体器件。您可能听说过其他WBG半导体如碳化硅 (SiC)、砷化镓 (GaAs) 或氮化铝 (AlN)。


图 1 –宽带隙材料与硅的性能指标基准雷达图，由 PowerRox [1] 提供

GaN 还有一些有趣的特性，让它在各方面更具吸引力。它的电子迁移率和熔点分别实现了高电流通道和更高的温度（或在相同或更低的温度下提高可靠性）。

制成晶体管时与硅基金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)相比，该器件具有更低的栅极电荷和等效通态沟道电阻(RDS_ON)。虽然GaN的开关类型很多，但我们将重点放在有高电子迁移率的GaN晶体管（以 HEMT 为例，其结构如图 2 所示）。栅极激活后，电流非常快地通过GaN 浅层，亦称为二维电子气（2DEG）[2]，如图中的虚线所示。
GaN Power Transistor Structure
图 2 – 硅基氮化镓（GaN-on-Si）横向晶体管之横截面，由 EPC [3] 提供
虽然 GaN 在发光二极管 (LED)和 RF 应用中已有数十年，但在开关应用中使用是十年前左右才开始的，例如在开关电源和开关逆变器已变得越来越常见。上述吸引人的特性使采用 GaN 开关设计的电源能够解决许多尺寸、重量和功率因数（也称为 SWaP 因数）的问题，而这往往是几乎所有电源解决方案的关键驱动因素。

较低的 RDS_ON 和栅极转换时间有助于分别降低传导损耗和开关损耗，从而提高电源系统的整体效率。这些特性还提供了额外的特性，也就是能够以较低的占空比 (D) 控制开关以实现更高的直接转换比，而这对 MOSFET 来说是不切实际的（例如，直接转换 48V 到 1V）。

当速度过快时

WBG开关速度可以很快，而且是真的很快。其实它们与我们在教科书中首次了解的那种理想开关非常接近，例如零转换时间。转换能那么快是因为 GaN 等材料有极低的栅极电荷和极高的电子迁移率。即使在一些相当高功率的应用中，开启和关闭转换也可以在纳秒之内发生（1 ns = 10-9 秒）。
Oscilloscope traces: 350 MHz ringing, fast rise and fall times
图 3 – EPC2100 开关节点波形，VIN = 12 V 至 VOUT = 1.2 V、IOUT = 25 A、1 MHz，显示上升/下降时间，由 EPC [5] 提供
转换速度如此之快，以至于大多数试图在电路板上测量转换速率的工程师可能甚至没有合适带宽(BW)的示波器可用来充分捕获这个信号(详情参见Nyquist-Shannon Sampling Theorem [4])。如果需要正确地测量和表征一个具有纳秒级跃迁的信号，那么范围BW需要在GHz范围内。这类示波器通常非常昂贵，而且专门用于高速数据分析而不是功率级的分析。

极快的开关节点跃迁率的负面影响是电磁干扰(EMI)和过冲/振荡事件的增加，这两种情况都是由于不必要的能量转储，或更具体地说，高能跃迁电流不适当地流向地面，进入寄生电感或等效串联电感(ESL)。由于本文的讨论范围有限，我们只能稍微触碰到这些议题，但人们应该寻找更多的资料并以严谨的态度深入研究这些议题。

我们要非常清楚地指出，在几乎所有可比较的应用中（在本讨论的范围内我们至少应该限于非 RF 开关电源应用），WBG组件无法直接取代同时代的 Si。与 Si FET 相比，GaN HEMT 大幅降低开关能量和高电子迁移率可以实现纳秒范围内的跃迁，但是这些极端的电流跃迁会从以前的良性寄生环路电感到现在导致灾难性的电压过冲，如下方计算所示。

方程1 - 显示过冲电压、寄生电感和电流变化率之间的关系。
DC supply with load inductor
图 4 – 升压 dc-dc 拓扑的电流（红色/黄色/绿色）及寄生电感，由 PowerRox [1] 提供
对Si 设计的电流转换速率 (di/dt)来说仅几个纳亨的寄生电感可能可以忽略不计，但对 GaN 设计却是灾难性的。

上面的方程式精确地描述如此小的 ESL，即使只来自于组件封装，是如何对您的设计产生灾难性的影响，这甚至是在人们花大量时间和精力来设计出一个非常干净且紧凑的布局以尽可能地包含这些电流之前。不过请不要误会，恰当的布局技术和GaN 电路的最佳实践是您对抗 EMI 和预防转换器严重故障的最佳方法（不受控制的振荡会导致电气过应力或 EOS 而最终自毁）。





图 5 – 以通用组件封装和特性计算寄生电感引起的电压过冲，由 PowerRox [1] 提供

栅极驱动的挑战

WBG栅极阈值电压 (Vth)往往低于对应的 Si 并且具有更低的绝对最高电压水平，因此若要在栅极驱动上发挥 GaN 的潜力、稳健地设计和实施此类解决方案的话将经过相当艰难的学习过程。市场上有各种各样的解决方案来应对这些挑战，从集成栅极驱动器（甚至全功率级）到完全合格的电源模块。

由于高转换率 (dV/dt) 作用在开关的栅源电容（又名为米勒电容或 CGS)），栅源电容可以向栅漏电容(CGD)施加电位而触发不必要的导通而有击穿或误导通的风险，因此必须更加注意栅极驱动电路。如果是在同步设备导通的情况下发生这种情况，就有可能发生击穿（也称为交叉传导）。最好的情况是降低有效效率，而最坏的情况则是导致 DC/DC 转换器故障。

不同种类的 GaN 可能具有不同的栅极驱动要求，这可能是使用 GaN 组件进行设计时面临的最大挑战之一。有些可以直接驱动并且是常关器件，有些使用所谓的共源共栅配置，其中使用增强型（常闭型）MOSFET来驱动GaN 器件的耗尽型（常开型）栅极。有些可能需要负或偏置栅极驱动电压。 因此，即使是由自己设计 DC/DC 解决方案，获得合格的 GaN 驱动器是非常有利的。

丰富的资源

外面有大量资源可以用来学习如何获取和实施 GaN 解决方案，有些资源已在前文提供。如果您不熟悉 WBG 和 GaN 解决方案，请充分利用它们来协助您学习。您需要经过好几代的设计和测试才能真正做出稳健的 GaN 设计，尤其如果您是刚接触该领域的工程师。

最后再一次提醒，GaN 不是 Si 的直接替代品，因此不应朝这个方向研究！早期人们在研究如何在电源中使用 GaN 时就已学到了教训甚至让他们质疑WBG的可行性，因为当时没有重视谨慎布局实践和稳健栅极驱动设计的重要性。

参考文献

[1] E. Shelton, P. Palmer, A. Mantooth, B. Zahnstecher, G. Haynes, “WBG Devices, Circuits and Applications,” APEC 2018 Short Course, San Antonio, TX, March 4, 2018.
[2] Wikipedia contributors, "Two-dimensional electron gas," Wikipedia, The Free Encyclopedia, https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Two-dimensional_electron_gas&oldid=955419012 (accessed May 27, 2022).
[3] “eGaN® Technology," EPC FAQs. [Online]. Available: https://epc-co.com/epc/FAQ/eGaNTechnology.aspx.
[4] Wikipedia contributors, "Nyquist–Shannon sampling theorem," Wikipedia, The Free Encyclopedia, https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Nyquist%E2%80%93Shannon_sampling_theorem&oldid=1086141927 (accessed May 27, 2022).
[5] “GaN Integration for Higher DC-DC Efficiency and Power Density," EPC Application Note AN018. [Online]. Available: https://epc-co.com/epc/DesignSupport/ApplicationNotes.aspx.