導入Cascode結構　GaN FET打造高效率開關

　　為提高高壓電源系統(tǒng)能源效率，半導體業(yè)者無不積極研發(fā)經濟型高性能功率場效應電晶體（FET）；其中，采用Cascode結構的氮化鎵（GaN）FET，由于導通和開關損耗極低，且具備比矽FET出色的反向恢復（Qrr）特性，因而能顯著改善電源系統(tǒng)開關效率。

　　射頻（RF）應用的氮化鎵（GaN）電晶體已面世多年，最近業(yè)界的重點開發(fā)面向為電力電子應用的經濟型高性能GaN功率電晶體。十幾家半導體公司都在積極開發(fā)幾種不同的方法，以實現(xiàn)GaN功率場效應電晶體（FET）商業(yè)化。

　　GaN HEMT模組解析

　　基本的GaN構建模組就是高電子遷移率電晶體（HEMT），它由一塊基板上生長的各種GaN層構成。矽是首選基板，因為它能夠以極低的成本應用到大直徑晶圓中。碳化矽（SiC）或藍寶石之類的替代基板可能更易于生長GaN層，但是這些基板的成本過高，讓商業(yè)化和廣泛應用變得完全不切實際。HEMT基本上是一種超高速、常開元件，像通過施加負閘偏壓即可關閉的電阻。耗盡型（常開）特性對于將其應用到傳統(tǒng)電力電子電路拓撲中來說可能是一種挑戰(zhàn)。例如，半橋拓撲如今被廣泛應用，如果耗盡型FET被用做上臂、下臂開關，那么有必要讓閘極控制電路正常運行，從而再為DC匯流排加電前提供負偏壓，因為如果未偏壓，半橋就會短接匯流排。另一種替代方法是將非耗盡型主使能開關與半橋串聯(lián)，一旦橋接電路的剩余部分可以正常運行了，即可被啟動，但是這樣會增加成本和傳導損耗。

　　另外，還可以調整GaN HEMT設計以便將閘臨界電壓由負轉正，進而實現(xiàn)常關的增強型元件。增強型GaN HEMT可在低、中壓范圍（高達200V）使用，很快就可以達到更高電壓（600V）。然而，就當今的技術而言，由于面臨閘極驅動設計挑戰(zhàn)，所以必須平衡增強型元件的便利性、性能和穩(wěn)定性，增強型GaN HEMT的臨界值電壓較低，而且可以完全導通的增強型VGS和絕對最大額定值的VGS通常只差1V。鑒于GaN HEMT的開關速度極快，促使從漏極耦合到閘極的C dv/dt造成閘極驅動電路很容易受到「閘極反彈」電壓的影響。盡管如此，增強型GaN HEMT仍然具有誘人優(yōu)勢，并且將來的產品設計毫無疑問會越來越好。

　　Cascode結構拓展電壓范圍

　　GaN HEMT和低壓（20？40V）矽FET的Cascode連接如圖1所示，Cascode就像工作電壓范圍被GaN HEMT擴展了的低壓矽FET。GaN HEMT與矽FET的漏極相連，將電壓范圍擴展到600V之高。因為HEMT的閘極與矽FET的源極相連，所以矽FET的VDS就成了GaN HEMT的負VGS，從而自動提供必要的負偏壓以實現(xiàn)關斷操作。該結構有助于緩解任何閘極驅動問題，因為被驅動的閘極實際上是低壓矽FET。雖然仍然存在同樣的高開關速度「閘極反彈」問題，但Cascode矽FET的臨界值電壓和最高閘值電壓都比增強型HEMT高得多，進而降低這些問題對它的影響。雖然開爾文（Kelvin）源極引腳和主源極的電路節(jié)點相連，但它的電流通路不同，也不與主漏極電流共用，因此消除了「共源電感」，進而減少了寄生L di/dt引起的閘極驅動器介面問題。

　　圖1 GaN HEMT和低壓矽FET的cascode連接示意圖

　　體二極體特性

　　Cascode GaN FET具有出色的體二極體行為。這是600V GaN Cascode開關的主要特性和優(yōu)勢之一：與絕緣閘雙極性電晶體（IGBT）、Super-junction FET或其他矽FET相比，GaN Cascode的反向恢復電荷（Qrr）要出色得多（與SiC肖特基二極體相似）。隨著溫度的變化，測量的Qrr幾乎是平直的，而溫度升高時矽FET的Qrr會增加二至三倍。原因在于，在給定的Rds（on）下，20？40V FET的Qrr比600V FET低幾個數(shù)量級。HEMT沒有少數(shù)載流子，因此增加了電容，但是不會增加反向恢復電荷。因此，Cascode提供了25V矽FET的低Qrr性能，卻將電壓范圍擴展到了600V。GaN Cascode與IGBT二極體和Super-junction FET的Qrr比，分別高約二十倍和兩百倍。

　　低Qrr意義重大，因為體二極體性能通常是硬開關應用的制約因素，600V GaN Cascode的傳導損耗低于IGBT，反向恢復電荷低于常與IGBT一起使用的超高速二極體。這樣就能夠在高得多的頻率下采用半橋拓撲，從而改善傳導和開關損耗，而且它的振蕩和過沖也比矽的元件低。

　　即使對于LLC諧振轉換器這樣的軟開關拓撲，GaN Cascode的死區(qū)時間也比矽Super-junction FET低，因為其總輸出電荷（Qoss）比具有相同Rds（on）的FET低三倍。即使LLC拓撲是ZVS，在通道反向傳導之前仍然存在著續(xù)流二極體，因此Super-junction結構的長反向恢復時間極有可能限制死區(qū)時間的降幅。

　　Super-junction Qoss的極端非線性特征，一般需要幾百奈秒（ns）來充電，而且一旦充電，會瞬間出現(xiàn)很高的dv/dt漏極的電壓。與Super-junction相比，具有相同Rds（on）的GaN級聯(lián)FET的充電速度快二至三倍，dv/dt也好得多。因此，與對應的Super-junction相比，GaN Cascode能夠在不增加損耗的情況下實現(xiàn)LLC轉換器的高工作頻率。

　?。跕B］元件電容與電荷［@C］ 元件電容與電荷

　　對于硬開關拓撲，F(xiàn)ET輸出電荷Qoss每個周期都會被耗盡，所以Qoss是頻率相關開關損耗的要素之一。因此，F(xiàn)ET的普通開關損耗指標就是RDS（on）×Qoss，換句話說，就是在給定的RDS（on）下每個周期損耗了多少輸出電容相關電荷。GaN Cascode開關比當今最好的Super-junction FET還好三倍，將來這一數(shù)值還會繼續(xù)改進。

　　Qoss和Qrr有時容易被混淆。雖然這些參數(shù)是在不同條件下分別測量的，但是存在著一定的重疊，從而掩蓋了GaN Cascode這類技術的真正優(yōu)勢。反向恢復電荷Qrr是利用專用半橋電路（亦即雙脈沖測試儀）進行測量的：在上臂FET內建立其體二極體正向電流，然后打開下臂FET，從而迫使上臂體二極體內發(fā)生反向恢復事件。隨著時間的流逝，測量電流，然后合并總反向傳導區(qū)域，得到電荷測量值Qrr。但是設想有一個帶有一定電容的理想二極體，然后按下面這種方法進行評估：電容放電所需的電流是負電流，對其進行合并并稱之為Qrr，但是它不是真正的反向恢復電荷（理想二極體沒有反向恢復電荷），它只是電容電荷。重點在于傳統(tǒng)Qrr測量將真正的Qrr和Qoss混為一談并稱之為Qrr。這一點很重要，因為不同的拓撲對真正的Qrr較敏感，而對Qoss則不那么敏感。例如，軟開關拓撲可能會將Qoss整合到整個諧振電路中去，讓它變得基本上無損耗。但是與真正的Qrr相關的二極體復合時間造成的延遲和反向電流會產生功率損耗。結論就是，單看資料手冊中的參數(shù)或簡單的指標無法知悉全部情況。每款元件都須要仔細評估，進而了解其應用電路的真正損耗。

　　閘電荷是另一個GaN Cascode優(yōu)于替代矽FET的參數(shù)。再一次通過比較相同條件下的Rds（on）×Qg規(guī)范化為Rds（on），GaN Cascode的閘電荷低了八倍。由于每個開關周期閘電荷在充電和放電期間都會被閘極驅動電路全部耗盡，所以Qg降低會直接降低閘極驅動電路的損耗，進而提升總效率，特別是在高頻下。

　　GaN FET優(yōu)勢多商用可期

　　電力電子常用的拓撲隨著半導體的發(fā)展而不斷變化。GaN實現(xiàn)了那些需要低Rds（on）和出色的體二極體行為的拓撲，從而將應用領域擴展到傳統(tǒng)FET無法充分發(fā)揮作用的領域，例如無橋升壓PFC和相移全橋轉換器之類的高頻、高效拓撲，甚至電機驅動應用也能受益，盡管它們的開關頻率通常較低。GaN Cascode FET的傳導損耗低于IGBT，特別是在輕負載下，適于壓縮機和大多數(shù)時間在10？20%負載下運行的其他應用。GaN還可以在同步整流器模式下運行，從而降低二極體傳導損耗（與IGBT相比）。此外，相比于任何矽FET，即使是快速恢復外延二極體場效應電晶體（FREDFET），GaN Cascode的反向恢復特性也較出色，從而縮短硬開關條件下的轉換時間，無須增加傳導電磁干擾（EMI）即可降低開關損耗。

　　歸根究底，體二極體行為限制所有600V開關選項的性能，因為通常須在開關速度以及反向恢復的di/dt與dv/dt特性造成的EMI之間進行折中；換言之，必須降低矽FET的速度（這將提高開關損耗）方能消除傳導EMI。第一代GaN FET現(xiàn)已實現(xiàn)商業(yè)化，與當今最好的矽FET相比其有了明顯改善。