电源设计趋势逐渐转向GaN晶体管

经过大量实践检验，已被证明安全可靠的硅MOSFET已经成为电源电路设计的中流砥柱，但随着基于氮化镓的最新功率器件技术的发展，电源设计的趋势正逐渐转向GaN晶体管。

硅功率MOSFET电源晶体管多年来一直是电源设计的中流砥柱。时至如今，尽管硅MOSFET仍被广泛使用，但在某些新的设计中，氮化镓(GaN)晶体管已经开始逐渐取代硅MOSFET。随着GaN技术的最新发展，再加上经过大量优化的GaN器件和驱动电路的可用性不断提高，使更多的电源设计工程师开始关注并尝试基于GaN器件的设计可能性。GaN功率器件拥有比传统的硅MOSFETs的器件更显著的优势：例如更快的开关速度，更高的效率等等。

图1，氮化镓开关速度快，可以大幅度提升效率

氮化镓器件

GaN功率器件到现在已经发展很多年了（见图2）。早期的器件是在昂贵的衬底上制作的。例如，蓝宝石（sapphire）或碳化硅(SiC)衬底。主要应用是用于高频的RF射频功率放大器。由于氮化镓具有很高的电子迁移率和很高的耐压特性，这些器件可以在GHz频率范围内产生数百瓦的功率。

图2，氮化镓器件商用化到现在已经快10年

这种晶体管被称为高电子迁移率晶体管(HighElectronMobilityTransistors，HEMTs)。HEMTs是金属-半导体结场效应晶体管的一种形式，采用不同的材料作为栅极和沟道。这些是“耗尽型”FETs，沟道是自然“开启”的，即“常开”。不像“增强型”FETs的沟道是自然“关闭”的（即“常关”），常开型HEMT FETs需要关键的偏置网络才能正常运行。

图3 主要应用与分布式结构的通信高端领域，如无线基站和交换机设备、路由器、数据中心产品。对电压精度、效率、动态响应、排序、控制及端口协议都有严格的要求。

基于失效安全和设计简单的要求，功率器件最终还是要发展出增强型（Enhancement-mode）的GaN FET。它是绝缘栅型的。与其他GaN器件一样，它们拥有高速开关、高击穿电压和高温工作等优势。尽管到目前为止，增强型GaN器件比硅MOSFETs昂贵，但它们更适合电源设计，并提供了一个可以获得更高性能和效率的设计路径。

图4 氮化镓常关型器件是氮化镓功率器件的发展趋势

高压设计案例

开关电源（SMPS）设计是提高能量转换效率和节约能源的答案。大多数新设计采用SMPS技术，包括稳压器、DC-DC转换器、点负载转换器和逆变器。然而，即使是SMPS设计也是可以进一步改进的。

我们都知道，每一个功率变换阶段，效率都会下降。将高电压转换为较低的直流电，用于通常需要多个DC-DC变换和稳压环节的处理器和FPGAs。如果可以使用高压器件进行转换，则可以减少电压转换的次数，从而提高整个系统的转换效率。GaN器件则提供了这种可能性。

数据中心电力系统就是一个例子。数据中心包含许多高功率的服务器，这些服务器通常需要大电流和低电压。我们都知道，维持数据中心工作的电费是非常高昂的，再加上冷却这些高负荷运作的服务器所需要的电力，整个的能耗是非常之高。所以，在电能变换路径上的任何关于节能的思考和方法都是值得的。图5(a)显示了具有120或240V交流输入的典型电源。

图5 （a）具有120或240V交流输入的典型电源 (b)通过使用不同的电路拓扑以及更少的变换模块来提高功率转换效率。

如图5(a)中所示，功率因素校正(PFC)模块是电气设备所必须的。这通常是一个直流输出为380V的升压变换器。随后传递给一个Inductor-Inductor-Capacitor(LLC)模块,提供36-60 V的直流输出。随后进一步由DC-DC转换器降压，然后再通过POL变换模块将电压转换到1-1.8V，用于处理器、内存和FPGAs的供能。上述的每一个变换“关口”都对系统效率征收了一笔“关税”,使得效率大大降低。

如图5(b)所示的电路拓扑是降低上述“关税”的解决方案。在PFC阶段，可以替换拥有高耐压高开关速度的GaN器件。氮化镓器件更高的开关频率，意味着整个模块中的磁性元器件都可以缩小和提效。在LLC降压阶段同样替换GaN器件，使得开关频率提高到1MHz以上，来输出 36到60V。用于POL模块的一个电压典型值是48V，这一个阶段也可以使用GaN器件。上述的整个设计，不但可以是的整个系统更小，同时更高效。

另一个应用是太阳能逆变器。太阳能电池板通常会驱动一个DC-DC升压变换器。反过来，该DC-DC转换器会驱动DC-AC逆变器，该逆变器可以供应适用于负载和电网需求的120/240V AC 60Hz交流电。一些太阳能系统可能包括电池存储模块。在上述的存储和转换这两个模块，都可以使用GaN器件，让其工作在超过100 kHz的开关频率下，可以大大提高整个系统的效率。

除了DC-DC转换器、POL转换器和逆变器之外，其他基于GaN器件的应用还包括电机驱动和D类大功率音频放大器。