GaN功率器件的特点及应用

硅功率MOSFET为电路设计人员提供了许多优势，使其成为许多应用中的明显选择。它提供高开关速度和低导通电阻，与之前的双极晶体管不同，MOSFET不会受到热失控的影响。制造技术的进一步发展使得可以使用垂直配置，并联多个晶体管的设备，进一步降低了导通电阻。

在几十年的时间里，制造商对基本设计进行了改进，设置导通电阻和击穿电压的新标准。然而，这些参数通常需要在MOSFET设计中相互折衷。增加击穿电压的技术往往会推高导通电阻。因此，诸如绝缘栅双极晶体管（IGBT）等竞争器件已经取得了进展，其应用需要比MOSFET更高的击穿电压额定值。

一种选择是更换材料。氮化镓（GaN）和碳化硅是硅的潜在替代品，由于这些材料具有更高的带隙，因此可以在不影响导通电阻的情况下支持击穿电压的大幅增加，如图1所示。

图1：硅，SiC和GaN的导通电阻与击穿电压关系图，显示最近推出的GaN晶体管。

SiC和GaN的临界电场强度均高于硅，给予它们导通电阻和击穿电压之间的优越关系。这使得器件可以做得更小，并且电气端子可以在给定的击穿电压要求下更紧密地联系在一起。如果不是作为硅的替代品，GaN已经显示出前景，那么作为扩展功率MOSFET的范围的一种方式新的和苛刻的应用。 GaN器件是高电子迁移率晶体管（HEMT），其提供比硅和SiC器件更高的电子速度。高迁移率源于二维电子气在组分材料之间的界面处形成的方式。这种气体中的载流子比硅等材料更自由地移动。因此，GaN晶体管更适合用于高频功率开关电路，可以提供更高的效率，同时减少电容器和电感器所需的电路板空间。此外，GaN器件能够在高温条件下工作对硅器件有挑战性。 GaN晶体管的高温操作可以减少硅基电力电子设备可能需要的散热器和冷却风扇的尺寸，从而可以进一步缩小电力电子设备的体积和重量，超出简单移动的范围更高频率的交换架构。

由于具有较高的临界场强，因此对于给定的击穿电压和电流额定值，GaN基器件可以比其硅对应物更小。器件和电路尺寸的组合以及较少的冷却支持可以减小整体尺寸和重量，这在运输和国防应用中非常重要。这些应用是关键参数。最初，GaN功率器件是在蓝宝石衬底上构建的。主要是耗尽型器件，这使它们在很大程度上不适合电源应用。出于安全性和可靠性的原因，电源开关设备应设计成通常关闭。 GaN MOSFET正在出现，提供增强型，常关操作。

与此同时，硅正在成为GaN的有效基板，具有成本更低和与现有硅供应链兼容的优势。高效电源转换（EPC）等供应商已通过增强型晶体管进入市场。尽管目前市场上采用商用GaN-on-silicon晶体管的厂商数量很少，但国际整流器公司等公司计划在2014年推出产品。

图2：横截面增强型GaN晶体管的问题。即使在其发展的早期阶段，硅基GaN也已经能够胜过硅MOSFET。图1不仅显示了GaN在击穿电压与导通电阻方面的理论性能，两者都很容易超过硅的能力，而且两个来自EPC的GaN器件已经超出了图中的硅线。其他优势包括低栅极漏电流和材料的大导带偏移（3.6 eV），使得所得晶体管不易受热电子和其他可能降低可靠性的因素的影响。

作为增强型器件，GaN晶体管表现为与硅功率MOSFET类似的方式。正栅极 - 源极电压差吸引电子进入沟道，以在源极和漏极之间形成双向沟道。当电子汇集在二维气体中时，导电通道的总电阻非常低。然而，如果从栅极移除电压，则其下方的电子分散，移除导电沟道并关闭器件。

为了实现高击穿电压，需要增加漏极和栅极之间的距离。然而，由于电子气的存在，这对电阻的影响不如硅器件那么大。

与大多数采用垂直通孔沟道结构的硅功率MOSFET相比， GaN晶体管结构是横向的，类似于逻辑MOSFET的结构。这种结构为晶体管提供了低栅极电荷，这进一步提高了品质因数（FoM）和非常高性能的开关，很好地进入了传统拓扑结构的兆赫范围。这将导致更小的功率转换器和其他电路（如数字音频放大器）的更高性能横向GaN结构的另一个好处是导电器件中不涉及少数载流子。因此，没有反向恢复损耗往往会限制硅器件的开关频率。

虽然GaN器件的性能非常好，但设计人员在使用时需要牢记这些因素。高频率切换为电源控制拓扑提供了新的机会，但要实现高性能和低损耗，需要特别注意布局和支持电路设计。

GaN功率器件需要相对较低的电压才能工作。通过栅极和源极之间的5V电压实现器件通道的完全增强。但是，重要的是不要过度驱动门;栅极驱动电平不应超过典型GaN器件的6 V最大额定值，以避免对其结构造成潜在损坏。这需要比通常使用松散调节的基于变压器的结构的硅器件更严格的电压控制。

变压器和电感器等器件的栅极电路中的过大电感可以轻松驱动电压超过5 V短期。随着栅极电感的增加，电压振铃变得更强，从而驱动可能损坏栅极结构的峰值电压。

可以使用多种技术来降低电感。一种是使用稳压器结构，例如低压差（LDO）器件来为栅极驱动提供电源。 PCB技术可用于限制电感，例如确保将驱动器放置在靠近待驱动器件的位置，并确保引线长度保持小于1 cm。用于高速运行的驱动器上的小外形封装将有助于限制引线电感。栅极驱动和返回线可以使用带状线技术相互叠加，以减少环路电感。

制造商不建议使用齐纳二极管作为电压限制器，因为它们具有相当大的电容，导致开关速度变慢GaN晶体管，消除了GaN材料的关键优势之一。然而，由于漏极处的高dV/dt摆幅，GaN的非常快的开关特性引入了进一步的电路影响。由于米勒电容，高电平的dV/dt会导致高电流流动在闸门和排水管之间。在半桥拓扑结构中，具有相对较高导通电阻的小型驱动器可能会导致低端器件意外接通。这种现象会增加直通电流的风险，并且随之而来的是浪费能量的增加，这将削弱GaN开关可能带来的潜在效率增益。因此，驱动器的选择不仅受电流和开关时间要求的控制，而且还需要为大dV/dt瞬态产生的杂散电流提供低阻抗路径。

德州仪器（TI）的LM5113半桥驱动器和LM5114低侧驱动器旨在解决诸如过驱动栅极和限制瞬态影响等问题。通过集成GaN栅极驱动器功能，器件可以通过考虑功率晶体管的需求来节省电路板空间并简化设计。

图3：TI LM5113栅极驱动器的框图。

LM5113采用专门技术将高端电压调节在5.25 V左右，并确保不超过6 V的最大栅源电压。此外，LM5113具有低阻抗下拉路径，限制为0.5Ω，可防止高dV/dt事件导致的不良导通事件，以及快速关断路径。

桥式驱动器具有独立的漏极和源极输出，可提供导通强度与关断强度方面的灵活性，并且无需在驱动器路径中使用二极管。

LM5114具有7.6 A的驱动电流，适用于使用更大FET的高功率应用，或并联使用的多个功率器件。虽然硅上GaN只是刚刚开始进入市场，但市场上的产品允许工程师利用其优势。使用离散控制或使用TI制造的专用支持设备组合材料。