GaN技術(shù)概述

GaN高電子遷移率晶體管 (HEMT) 首次問(wèn)世是在2004年。HEMT結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出非同尋常的高電子遷移率，這個(gè)值所表示的是一個(gè)AlGaN和GaN異構(gòu)表面附近的二維電子氣 (2DEG)。正因如此，GaN HEMT也被稱為異構(gòu)FET (HFET)，或者簡(jiǎn)單地稱為FET。基本GaN晶體管結(jié)構(gòu)如圖1中所示 [13]。源電極和漏電極穿透AlGaN層的頂部，并且接觸到下面的2DEG。這就在源極和漏極之間形成一個(gè)低阻抗路徑，而也就自然而然地形成了一個(gè)D模式器件。通過(guò)將負(fù)電壓施加到柵極上，2DEG的電子被耗盡，晶體管被關(guān)閉。

圖2—E-mode GaN FET結(jié)構(gòu)

增強(qiáng)模式 (E-mode) GaN晶體管器件使用與D-mode GaN器件一樣的基底工藝，在一個(gè)硅 (Si) 或碳化硅 (SiC) 基板頂部培養(yǎng)一層薄薄的氮化鋁 (AlN) 絕緣層。然后，高阻性GaN和一個(gè)氮化鋁鎵與GaN的異構(gòu)體被先后放置在AlN上。源電極與2DEG接觸，而漏電極與GaN接觸。對(duì)于柵極的進(jìn)一步處理在柵極下形成一個(gè)耗盡層。圖2中給出了這個(gè)基本結(jié)構(gòu)。要接通FET，必須在柵極上施加一個(gè)正電壓。

B．GaN，SiC和Si的物理屬性比較

一個(gè)半導(dǎo)體材料的物理屬性決定了終端器件的最終性能。表1中顯示的是影響器件性能的主要屬性。

表1—GaN、SiC和Si在300 Kelvin時(shí)的材料屬性 [14-18]。

EG是帶隙能量。EG>1.4的半導(dǎo)體通常被稱為寬帶隙材料。EG更大的材料將需要更多的能量來(lái)將電子從其鍵位上斷開(kāi)，以穿越帶隙。它具有更低的泄露電流和更高的溫度穩(wěn)定性。EBR是臨界區(qū)域擊穿電壓，這個(gè)電壓會(huì)直接影響到電離和雪崩擊穿電壓電平。VS是飽和速率。峰值電子漂移速率決定了開(kāi)關(guān)頻率限值。μ是電子遷移率，它與接通電阻成反比。接通電阻與這個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系為 [19]：

與一個(gè)Si器件相比，如圖3的品質(zhì)因數(shù)中所示，碳化硅的接通電阻減少了大約500倍，而對(duì)于一個(gè)指定尺寸的半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)，GaN的這些值甚至更高。

圖3—硅、碳化硅和氮化鎵理論接通電阻與阻斷電壓能力之間的關(guān)系 [16]。

過(guò)去三十年間，硅 (Si) 在功率應(yīng)用中占主導(dǎo)地位。但是，隨著其性能接近了理論限值，性能方面的提升也變得十分有限。作為2個(gè)新興半導(dǎo)體材料，SiC和GaN看起來(lái)似乎是針對(duì)未來(lái)高性能應(yīng)用的極有發(fā)展前途的候選材料。

C．在FET模式和二極管模式中運(yùn)行的GaN器件

D-mode和E-mode GaN FET的輸出特性如圖4中所示 [13]。很明顯，D-mode器件使用起來(lái)不太方便，其原因在于，將一個(gè)功率級(jí)連接至DC輸入之前，必須在功率器件上施加一個(gè)負(fù)偏置電壓。相反地，E-mode GaN FET，正如MOSFET，通常情況下是關(guān)閉的，并且對(duì)于應(yīng)用來(lái)說(shuō)更加友好。然而，常開(kāi)型GaN器件更加易于生產(chǎn)，并且性能要好很多 [20]。對(duì)于一個(gè)指定區(qū)域或?qū)娮?，D-mode GaN FET的柵極電荷和輸出電容比E-mode GaN FET的少一半。而這在開(kāi)關(guān)電力轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中具有重大優(yōu)勢(shì)。對(duì)于高壓GaN器件來(lái)說(shuō)，大多數(shù)供應(yīng)商正在使用圖5中所示的，具有共源共柵LV NMOSFET結(jié)構(gòu)的D-mode GaN。LV NMOS是一種具有低Rds-on和快速反向恢復(fù)體二極管的20V-30V硅材料N溝道MOSFET。當(dāng)把一個(gè)正電壓施加到GaN共源共柵FET的漏極與源極之間時(shí)，內(nèi)部MOSFET的Vds在FET關(guān)閉時(shí)開(kāi)始上升，進(jìn)而在GaN器件的柵極和源極上形成一個(gè)負(fù)電壓，從而使GaN器件關(guān)閉。通常情況下，MOSFET的Vds將保持幾伏特的電壓，這個(gè)電壓足夠使GaN器件保持在關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)施加?xùn)艠O電壓時(shí)，MOSFET被接通，這使得MOSFET的柵極與源極短接，隨后，GaN器件被接通。在FET模式下，一個(gè)GaN共源共柵FET與具有擴(kuò)展GaN電壓額定值和附加GaN電阻的集成MOSFET的工作方式十分相似。然而，GaN器件決定了輸出電容值，而這個(gè)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于與之相對(duì)應(yīng)的MOSFET的Coss。GaN器件本身沒(méi)有體二極管，但是，當(dāng)反向電流被施加到GaN共源共柵FET上時(shí)，MOSFET的體二極管首先導(dǎo)電，而這樣實(shí)際上就把體二極管的Vf施加到GaN器件的柵極上，隨后GaN器件被接通。這樣的話，低壓FET的體二極管運(yùn)行為共源共柵開(kāi)關(guān)“體二極管”。由于LV MOSFET的正向壓降和Qrr比高壓MOSFET要低，所以這樣做還是有其實(shí)際意義的。出色的體二極管運(yùn)行方式是GaN共源共柵FET的其中一個(gè)主要特性和優(yōu)勢(shì)。由于對(duì)GaN共源共柵FET驅(qū)動(dòng)的要求與對(duì)于傳統(tǒng)MOSFET的要求是一樣的，在應(yīng)用采用方面，MOSFET的直接簡(jiǎn)易替換也是GaN共源共柵FET的另外一個(gè)優(yōu)勢(shì)。共源共柵方法的缺點(diǎn)在于，集成MOSFET必須在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)切換。GaN共源共柵FET繼承了MOSFET開(kāi)關(guān)的某些特點(diǎn)，其中包括大柵極電荷與反向恢復(fù)。這些特點(diǎn)限制了GaN器件的性能。

圖4—D-mode GaN FET（上圖）和E-mode GaN FET（下圖）的輸出特點(diǎn) [13]

D．安全GaN FET

為了克服共源共柵結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，我們?cè)谶@里介紹一個(gè)全新的安全GaN FET結(jié)構(gòu)（如圖6中所示）。

圖6—安全GaN FET結(jié)構(gòu)

這個(gè)安全GaN FET集成了一個(gè)常開(kāi)型GaN器件、一個(gè)LV MOSFET、一個(gè)啟動(dòng)電路和一個(gè)用于GaN器件的柵極驅(qū)動(dòng)器。MOSFET的功能與其在GaN共源共柵FET結(jié)構(gòu)中的功能一樣。它確保常開(kāi)型GaN器件在Vcc偏置電壓被施加前關(guān)閉。在Vcc被施加，并且柵極驅(qū)動(dòng)器建立一個(gè)穩(wěn)定的負(fù)偏置電壓后，啟動(dòng)邏輯電路將MOSFET打開(kāi)，并在隨后保持接通狀態(tài)。由于GaN器件不具有少數(shù)載子，也就不存在反向恢復(fù)，與相對(duì)應(yīng)的MOSFET相比，GaN的柵極電容要少10倍，輸出電容要低數(shù)倍。安全GaN FET完全涵蓋了GaN所具有的優(yōu)勢(shì)。出色的開(kāi)關(guān)特性確保了全新的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器性能等級(jí)。還應(yīng)指出的一點(diǎn)是，由于安全GaN FET內(nèi)沒(méi)有實(shí)際存在的體二極管，當(dāng)一個(gè)負(fù)電流流經(jīng)GaN FET，并且在漏極和源極上產(chǎn)生出一個(gè)負(fù)電壓時(shí)，這個(gè)GaN器件的運(yùn)行方式與二極管一樣。GaN FET在Vds達(dá)到特定的閥值時(shí)開(kāi)始反向傳導(dǎo)，而這個(gè)閥值就是“體二極管”正向壓降。正向壓降可以很高，達(dá)到數(shù)伏特。有必要接通GaN FET來(lái)減少二極管模式下運(yùn)行時(shí)的傳導(dǎo)損耗。

III．圖騰柱PFC CCM控制

圖騰柱PFC是一款不錯(cuò)的測(cè)試工具，可以在硬開(kāi)關(guān)模式中對(duì)安全GaN FET進(jìn)行評(píng)估。圖7中所示的是一個(gè)常見(jiàn)的圖騰柱PFC電源電路。Q3和Q4是安全GaN FET；Q1和Q2是AC整流器FET，它在AC線路頻率上開(kāi)關(guān)；而D1和D2是浪涌路徑二極管。當(dāng)AC電壓被輸入，并且Vac1-Vac2處于正周期內(nèi)，Q2被接通時(shí)，Q4運(yùn)行為一個(gè)有源開(kāi)關(guān)，而Q3運(yùn)行為一個(gè)升壓二極管。為了減少二極管的傳導(dǎo)損耗，Q4在同步整流模式中運(yùn)行。而對(duì)于負(fù)AC輸入周期，此電路的運(yùn)行方式一樣，但是具有交流開(kāi)關(guān)功能。

圖7—有源開(kāi)關(guān)周期（上圖）和續(xù)流周期（下圖）中，正AC輸入下，圖騰柱PFC的工作方式。

正如在第II部分中描述的那樣，這個(gè)“體二極管”具有一個(gè)很明顯的正壓降。這個(gè)GaN FET應(yīng)該在續(xù)流期間被接通。為了實(shí)現(xiàn)CCM運(yùn)行，在插入特定的死區(qū)時(shí)間的同時(shí)，有源FET和續(xù)流FET分別在占空比D和1-D內(nèi)開(kāi)關(guān)。如圖8中所示，在重負(fù)載下，電感器電流可以全為正，不過(guò)在輕負(fù)載情況下，這個(gè)電流可以變?yōu)樨?fù)。

圖8—重負(fù)載（上圖）和輕負(fù)載（下圖）情況下的PFC電感器電流。

特定的負(fù)電流對(duì)于軟開(kāi)關(guān)有所幫助，但是，過(guò)高的負(fù)電流會(huì)導(dǎo)致較大的循環(huán)功率和低效率。為了實(shí)現(xiàn)最優(yōu)效率，GaN FET的接通和關(guān)閉死區(qū)時(shí)間需要根據(jù)負(fù)載和線路情況進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。由于GaN FET輸出電容，Coss，不會(huì)隨Vds電壓的波動(dòng)而大幅變化，從有源FET關(guān)閉到續(xù)流FET接通的死區(qū)時(shí)間Td-on可以計(jì)算為，

在這里，Vo是PFC輸出電壓，而IL-peak是峰值電感器電流。

在CCM模式下，被定義為續(xù)流FET關(guān)閉到有源FET接通的死區(qū)時(shí)間Td-off應(yīng)該盡可能保持在較小的水平。如圖9中所示，當(dāng)接收到零電流檢測(cè) (ZCD) 信號(hào)后，相應(yīng)的PWM隨之被斬波，以避免出現(xiàn)一個(gè)負(fù)電流和循環(huán)功率。這樣的話，GaN FET運(yùn)行為一個(gè)理想二極管，這通常被稱為理想二極管仿真 (IDE)。

圖9—理想二極管仿真控制。

為了用理想二極管仿真實(shí)現(xiàn)CCM控制，我們選擇的是UCD3138，一款融合數(shù)字控制器。這個(gè)控制器塊的功能如圖10中所示。PFC的電壓環(huán)路和電流環(huán)路分別由固件和硬件CLA執(zhí)行。通過(guò)采用將ZCD用作觸發(fā)信號(hào)的一個(gè)控制器內(nèi)部逐周期 (CBC) 硬件，可以實(shí)現(xiàn)IDE。

 圖10—用于圖騰柱PFC控制的UCD3138。

為了最大限度地減少AC輸入整流器二極管的傳導(dǎo)損耗，如圖7中的Q1和Q2所顯示的那樣，常常用低Rds_on MOSFET替換低速整流器二極管。這些MOSFET和高速GaN FET，Q3和Q4，根據(jù)AC電壓交叉點(diǎn)檢測(cè)值，在正負(fù)AC輸入周期之間變換工作狀態(tài)。這個(gè)任務(wù)看似簡(jiǎn)單，但是，為了實(shí)現(xiàn)潔凈且平滑的AC交叉電流，應(yīng)該將很多注意事項(xiàng)考慮在內(nèi)。交叉檢測(cè)的精度對(duì)于保持正確的工作狀態(tài)和運(yùn)行十分重要。這個(gè)精度經(jīng)常受到感測(cè)電阻器容差和感測(cè)電路濾波器相位延遲的影響。幾伏特的計(jì)算錯(cuò)誤會(huì)導(dǎo)致很大的電流尖峰。為了避免由整流器FET提前接通所導(dǎo)致的輸入AC短路，必須要有足夠的消隱時(shí)間讓Q1和Q2關(guān)閉，并且應(yīng)該將這個(gè)時(shí)間插入到檢測(cè)到的交叉點(diǎn)上。消隱時(shí)間的典型值大約在100μs至200μs之間。由于MOSFET的輸出電容，Coss，很明顯，Q1和Q2上的電壓應(yīng)該在消隱時(shí)間內(nèi)幾乎保持恒定。在互補(bǔ)整流器FET被接通前，PFC保持在之前的運(yùn)行狀態(tài)中，此時(shí)，施加到升壓電感器上的電壓幾乎為零，而有源GaN FET運(yùn)行在幾乎滿占空比狀態(tài)下。在這一點(diǎn)上，接通互補(bǔ)整流器FET，或者在有源開(kāi)關(guān)和同步開(kāi)關(guān)之間變換GaN FET的這兩個(gè)功能，會(huì)在升壓電感器中形成大電壓二次浪涌，并因此導(dǎo)致一個(gè)較大的電流尖峰。理論上，在理想AC電壓交叉點(diǎn)上同時(shí)改變整流器FET和GaN FET工作狀態(tài)可以避免電流尖峰，并且保持電流環(huán)路的負(fù)反饋，不過(guò)，這在實(shí)際環(huán)境中很難實(shí)現(xiàn)。此外，任何由突然狀態(tài)變化所導(dǎo)致的電流尖峰會(huì)干擾電流環(huán)路，并且導(dǎo)致一定的電流振鈴級(jí)別。[9] 建議在交叉點(diǎn)上使用PFC軟啟動(dòng)。顧慮在于，AC交叉檢測(cè)電路通常具有相位偏移，并且有可能不夠精確。過(guò)早或過(guò)晚的改變狀態(tài)會(huì)導(dǎo)致AC線路短路，或者電流環(huán)路正反饋，這會(huì)形成電流尖峰。這篇文章內(nèi)提出的一款全新可靠的控制機(jī)制就是為了確保一個(gè)平滑的狀態(tài)改變。圖11顯示的是狀態(tài)變化的時(shí)序圖。

輸入AC線路電壓VAC_L和中間電壓VAC_N被分別感測(cè)。得出的兩個(gè)感測(cè)到電壓的差值被用于AC電壓交叉檢測(cè)，這實(shí)際上是一個(gè)差分感測(cè)機(jī)制。它消除了Y_Cap電流對(duì)感測(cè)精度的影響。VAC_L-VAC_N的符號(hào)被用來(lái)確定輸入的正周期和負(fù)周期。VAC_L-VAC_N的絕對(duì)值與高壓線路的AC電壓交叉閥值VT_H，以及低壓線路的VT_L進(jìn)行比較，以確定AC電壓是否處于交叉區(qū)域內(nèi)。如果回答是肯定的，整流器FET和升壓開(kāi)關(guān)均被關(guān)閉，而控制環(huán)路的積分器被暫停。當(dāng)AC電壓增加，并且存在于交叉區(qū)域內(nèi)時(shí)，相應(yīng)的整流器FET被緩慢接通。通過(guò)插入一個(gè)適當(dāng)?shù)闹禆艠O電阻器，可以限制接通速度。在整流器FET被接通后，一個(gè)短延遲，比如說(shuō)20μs，在積分器被暫停，并且PWM輸出被再次啟用前被插入。