摘要

本文詳細討論了GaN技術，解釋了如何在開關模式電源中使用此類寬禁帶開關，介紹了電路示例，并闡述了使用專用GaN驅動器和控制器的優(yōu)勢。而且，文中展示了LTspice®工具，以幫助理解GaN開關在電源中的使用情況。最后，展望了GaN技術的未來。

簡介

寬禁帶技術在開關模式電源中越來越受歡迎。如果電路設計人員有興趣在未來設計中使用這項相對較新的技術，則有必要了解這項技術的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)，并積累相關經(jīng)驗。

寬禁帶半導體

硅是電子產(chǎn)品中使用的一種神奇材料。生長出高純度體硅并通過摻雜形成p型和n型特性，造就了令人矚目的微電子基礎設施與產(chǎn)業(yè)。于是，低成本、高可用性器件不斷滲透到我們的生活中。然而，隨著工程師逐漸把手中的工具發(fā)揮到極致性能，我們也在不斷尋找更好的晶體管。對于各種應用中的許多用例，硅固然表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，但硅的某些材料特性也限制了它在速度、功率密度和溫度范圍等方面的提升。雖然市面上提供許多其他半導體技術，比如砷化鎵(GaAs)、碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)，但設計師在使用硅構建電路方面已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗，涵蓋研究、開發(fā)工具鏈和生產(chǎn)環(huán)節(jié)。據(jù)SEMI.org統(tǒng)計，2023年晶圓出貨量為126.02億平方英寸，面積足夠覆蓋1000個足球場。對于始終追求更小解決方案的半導體行業(yè)來說，這無疑是令人贊嘆的壯舉！1

得益于對硅材料的熟悉，隨著時間的推移，半導體行業(yè)能夠將硅的性能不斷向前推進。然而，半導體行業(yè)迫切需要認真考慮替代硅的半導體技術，而寬禁帶半導體的相關研究已取得切實的成果。

GaAs是一種III-V禁帶半導體，用于微波、激光二極管和太陽能電池等高頻應用。得益于高飽和電子速度和遷移率，GaAs能夠在100 GHz以上的頻率下正常工作。

電子產(chǎn)品中使用SiC由來已久，其早期應用主要是發(fā)光二極管。憑借耐高溫和耐高壓的能力，碳化硅用作電源中的功率級元件。此外，碳化硅能夠實現(xiàn)電壓范圍遠高于1000 V的開關和二極管。

在電源應用中，GaN是一種能夠替代或增強硅基電路的特定技術。在20世紀90年代初，GaN主要是研究級材料，但到了2003年，從產(chǎn)量來看，GaN躋身三大半導體材料之列，僅次于硅和GaAs。GaN的早期用例包括固態(tài)照明和射頻電子產(chǎn)品。2

2012年，GaN原型首次用作電源開關（pGaN HEMT器件），替代開關模式電源中的硅場效應晶體管(FET)。在此類電源中，與傳統(tǒng)硅FET器件相比，GaN實現(xiàn)了更高的電源轉換效率。無論是過去還是現(xiàn)在，GaN器件的主要制造難點一直在于能否生長出大尺寸的單晶，從而用來生產(chǎn)高質量的大尺寸晶圓。

與硅相比，GaN有很多優(yōu)勢。主要優(yōu)勢包括在給定電流和電壓額定值下具有較低的漏極和柵極電容。此外，GaN開關的尺寸比硅小，因此解決方案也更小。GaN材料的擊穿電壓較高，可用于運行電壓在100 V及以上的應用。而對于100 V以下的不同電源設計，GaN的功率密度和快速開關能力也帶來諸多優(yōu)勢，比如提高電源轉換效率。

GaN是寬禁帶半導體，其禁帶電壓為3.4eV，而硅的禁帶電壓為1.1eV。但是，在電源設計中，品質因數(shù)的重要性不盡相同。舉例來說，在400 V中間總線應用中，比如在240 V AC電源轉換器中，我們使用650 V擊穿電壓FET，漏源電流約為30 A。使用硅FET時，需要93 nC的柵極電荷，而使用GaN FET時，僅需9 nC的柵極電荷。3 使用此類開關的應用將在約1 kW至8 kW的功率電平下運行。使用具有小柵極電容的GaN器件的好處在于，開關轉換時間顯著加快，開關損耗降低，最終實現(xiàn)更高的電源轉換效率，特別是當開關頻率較高且采用較小的磁性元件時。

在開關模式電源中使用寬禁帶半導體

用GaN器件替代硅基MOSFET時，肯定會遇到一些挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)與GaN柵極驅動、開關過程中的快速電壓變化及死區(qū)時間內的高導通損耗有關。

首先，GaN開關的柵極電壓額定值通常低于硅FET。大多數(shù)GaN制造商建議的典型柵極驅動電壓為5 V。一些器件的絕對最大額定值為6 V，建議的柵極驅動電壓和臨界閾值之間沒有太多裕量，若超過此臨界閾值，將會損壞器件。建議的柵極驅動電壓因制造商而異。這一限制，再加上GaN器件中的柵極電荷非常小，意味著驅動器級必須嚴格限制最大柵極驅動電壓，以免損壞GaN器件。

此外，必須關注電源開關節(jié)點處的快速電壓變化(dv/dt)，這有可能導致底部開關誤導通。GaN器件的柵極電壓非常小。任何在鄰近區(qū)域（比如開關節(jié)點處）發(fā)生的快速電壓變化，都有可能以電容耦合的方式作用于GaN開關的小尺寸柵極，從而使其導通。為了更好地控制導通和關斷曲線，需要布置單獨的上拉和下拉引腳，并精心設計印刷電路板布局。

此外，GaN FET在死區(qū)時間的導通損耗較高，在死區(qū)時間，電橋配置的高側和低側開關均斷開。死區(qū)時間對于防止高側電壓軌與接地端之間發(fā)生短路必不可少。在死區(qū)時間內，低側開關通常會產(chǎn)生流經(jīng)低側開關體二極管的電流。要解決此類死區(qū)時間內導通損耗較高的問題，一種方法是盡可能縮短死區(qū)時間的時長。與此同時，還必須注意高側和低側開關的導通時間不能重疊，以避免接地端短路。

另外值得一提的是，GaN提供更寬的轉換范圍，快速的上升和下降時間能夠實現(xiàn)比硅MOSFET更小的占空比。

使用除硅以外的其他開關

在電源轉換行業(yè)，硅開關多年來一直用作功率級開關。現(xiàn)在，GaN開關已可供電源設計人員使用，但如何用它們來取代硅開關？它們是直接替代產(chǎn)品，還是在功率級設計方面有所不同？

圖1所示為典型降壓穩(wěn)壓器開關模式電源的功率級。紅色箭頭表示在開關模式電源中使用GaN開關時可能需要的額外組件。GaN開關不具備體二極管的便捷性。硅MOSFET中的體二極管是p-n結，該p-n結通過硅工藝的結構形成。GaN技術的工藝略有不同，因此無法使用簡單的p-n結體二極管。4 然而，GaN開關雖采用不同的機制，但可產(chǎn)生類似的結果。GaN器件的導通僅涉及多數(shù)載流子，因此不存在反向恢復。5 但是，不同于硅MOSFET，GaN FET不具備體二極管的正向電壓，因此GaN FET上的電壓可能會變得非常大。所以，死區(qū)時間內的功率損耗相當高。這便是為什么與硅開關相比，在使用GaN開關時務必要縮短死區(qū)時間。

硅MOSFET具有體二極管，在開關模式電源的死區(qū)時間內，電源設計會大量使用體二極管。在降壓穩(wěn)壓器的低側開關中，流經(jīng)體二極管的電流提供電感所需的連續(xù)電流。如果低側開關中沒有體二極管，則每段死區(qū)時間都會導致降壓穩(wěn)壓器中的開關節(jié)點電壓趨于負無窮。在達到負無窮之前，電路無疑會因為電壓超出開關的額定電壓而失去能量，最終燒毀。4

使用GaN開關時，如果源極和柵極處于相同電位，但使用電感器等連續(xù)電流源，則GaN FET將反向導通。

不同于硅MOSFET，GaN開關不包含p-n結體二極管，因此在構建低側開關時，需要在低側開關周圍設計一條備用電流路徑，以允許電流在死區(qū)時間內流動。圖1所示為放置在低側GaN開關漏極和源極之間的簡單肖特基二極管(D2)。在電路的死區(qū)時間內，該二極管將迅速接管電感電流。

在GaN FET中，由于GaN FET的對稱性，漏極和源極在反向導通期間會發(fā)生翻轉。柵極保持在接地電位，但開關節(jié)點自偏置為GaN FET的最小導通閾值。這個低電壓是導通GaN FET所需的最小閾值（通常為GND-2V至GND-3V）。由于VGS未優(yōu)化，RON會受到反向導通的影響。外部肖特基是備用路徑，無需在反向導通時導通GaN FET。

如圖2所示，使用GaN開關時，對電路進行的第二個修改是將電阻與二極管D1串聯(lián)，為電路的高側驅動器提供來自INTVCC電源電壓的基本電壓?？赡苄枰@個電阻來限制高側驅動器的峰值電流。

此外，要防止高側驅動器電源電壓上的電壓尖峰過量，可能需要齊納二極管D3。

圖1.使用GaN技術作為LTC7800降壓轉換器功率級中的電源開關時有必要考慮的組件。

雖然圖1中的額外組件看起來相當簡單直接，但要確保該電路在所有工作條件下都能可靠運行，需要在工作臺上進行微調和全面評估。此外，將需要考慮組件的數(shù)值在生產(chǎn)環(huán)境和老化過程中的變化。最嚴重的風險是GaN開關永久性損壞。

使用特殊GaN控制器

如果開關模式電源的功率級使用GaN開關，要想免去對于保護功能的關鍵評估，一個簡單方法是選擇電源控制器IC。LTC7891單相降壓控制器專為GaN功率級開關而設計。選擇專用GaN控制器可以簡化GaN電源設計，增強其穩(wěn)健性。前面提到的種種挑戰(zhàn)都可以通過GaN控制器來解決。如圖1所示，采用GaN FET等專用GaN控制器，將大大簡化降壓電源設計。

圖2.專用GaN控制器有助于實現(xiàn)穩(wěn)健且密集的電源電路

此類專用的開關控制器不僅實現(xiàn)了簡單的設計，還提供所需的靈活性，可與當今市場上的不同GaN開關配合使用。此外，GaN開關技術的發(fā)展和創(chuàng)新還遠未結束。未來的GaN開關將不同于當今的產(chǎn)品，而且將變得更加出色。然而，與如今現(xiàn)成的開關相比，未來的GaN開關可能需要采用略微不同的處理方法。圖2中的LTC7891等器件為兩種開關提供專用的上、下柵極驅動引腳。如此一來，便可以單獨控制GaN開關柵極電壓的上升和下降斜率。這有助于完全通過GaN開關驅動功率級，并最大限度減少振鈴和過沖。

如圖2所示，與傳統(tǒng)硅MOSFET降壓控制器的顯著區(qū)別在于上升沿和下降沿的單獨柵極驅動引腳。然而，LTC7891與專為硅開關設計的傳統(tǒng)控制器之間還存在許多其他差異。內部Bootstrap開關用于防止高側驅動器在死區(qū)時間內過度充電。此功能可以可靠地實現(xiàn)，而不需要依賴外部的組件。

另一個重要特性是智能的近零死區(qū)時間控制。該特性可以實現(xiàn)可靠的操作，并顯著提高電源轉換效率，同時還支持高開關頻率。LTC7891的額定開關頻率高達3 MHz。

另一個獨特之處是可以將柵極驅動電壓從4 V精確調整至5.5 V，從而優(yōu)化市場上各種GaN FET所需的VGS。

使用任意控制器IC

除了使用外部無源修復措施來使傳統(tǒng)硅控制器與GaN開關配合使用，或使用專用GaN控制器之外，工程師也可以考慮使用傳統(tǒng)控制器IC，并利用針對GaN進行了優(yōu)化的驅動器級。這種方法可解決GaN帶來的挑戰(zhàn)，實現(xiàn)簡單而穩(wěn)健的設計。圖3為采用LT8418驅動器IC實現(xiàn)的降壓穩(wěn)壓器功率級。該驅動器采用小巧的WLCSP（晶圓級芯片規(guī)模封裝），可實現(xiàn)非常低的寄生電阻和電感，從而降低快速電流變化導致的電壓失調。

圖3.專用GaN驅動器根據(jù)來自傳統(tǒng)硅基MOSFET控制器的邏輯PWM信號控制功率級

通過仿真助力電路設計

選定合適的硬件、控制器IC和GaN開關之后，可通過詳細的電路仿真來快速獲得初步評估結果。ADI公司的LTspice提供完整的電路模型，可免費用于仿真。這是學習使用GaN開關的一種便捷方法。圖4所示為LTC7891的仿真原理圖。另提供雙通道版本LTC7890。

圖4.LTspice，一款實用的GaN電源仿真工具

集成寬禁帶

盡管GaN技術非常適合構建FET并將FET用于先進的功率級，但要將GaN用作開關模式電源的控制電路，GaN未必具有這樣的能力，或者不具有足夠的成本效益。因此，在可預見的未來，我們將采用混合方法?？刂齐娐穼⒁怨铻榛A，通過高度優(yōu)化的控制和驅動電路來驅動高功率GaN開關。就目前的技術而言，這種方法是可行的，且具有成本競爭力。然而，這將需要在一個電路中使用多個裸片。如本白皮書中的示例所示，可以采用單獨的GaN開關，也可以采用ADI的全集成混合方法，將多個裸片集成在電源轉換器CI或μModule®電源解決方案中，并集成電感器等多種無源元件。

如前所述，生長大尺寸、高質量的GaN依然是個難題。金剛石基GaN是制造GaN開關的一種方法。然而，自大約2010年以來，硅基高電子遷移率晶體管(HEMT)成為GaN制造的主流選擇，因為HEMT可能實現(xiàn)更大的晶圓直徑，與現(xiàn)有硅加工基礎設施相關的成本也更低。2 HEMT在早期遇到的技術挑戰(zhàn)也已解決。但HEMT技術還需要經(jīng)過多年的進一步開發(fā)。使用HEMT方法時，GaN器件使用硅晶圓上的GaN外延制成，因此不會像硅或SiC那樣生長為體晶。

針對采用GaN開關的寬禁帶電源，請參見表1，了解ADI目前提供的產(chǎn)品。

表1.專為GaN電源開關設計的現(xiàn)有電源管理器件

GaN技術的未來

GaN技術在開關模式電源領域已經(jīng)取得了許多成果，可用于許多電源應用。未來，GaN開關技術仍將持續(xù)迭代更新，進一步探索應用前景。ADI公司現(xiàn)有的GaN開關模式電源控制器和驅動器靈活且可靠，能夠兼容當前及今后由不同供應商研發(fā)的GaN FET。

現(xiàn)在，我們正朝著實現(xiàn)GaN應用的方向努力，而且在許多方面已經(jīng)取得了進展。首先，如今的GaN開關本身已十分穩(wěn)健。但對于這項相對較新的技術，要讓用戶完全接受和認可開關的可靠性，還需要時間和進一步的技術發(fā)展。其次，GaN開關的制造工藝將進一步改進，提高良率，降低缺陷密度，從而降低成本并提高GaN開關的可靠性。再者，越來越多的專用GaN驅動器（如LT8418）和開關控制器（如LTC7890和LTC7891降壓控制器）推向市場，能夠簡化基于GaN的開關模式電源的實現(xiàn)。

常見的GaN電壓是100 V和650 V。因此，第一批采用GaN技術的電源的最大電壓范圍為100 V和650 V。而GaN的一些特性，尤其是所需的柵極電荷較小這一特性，在電壓下降至較低水平時也依然有效。未來，我們還將看到最大電壓范圍在40V以下的低電壓電源，以便更好地利用GaN的優(yōu)勢。而且可能會看到電壓高達1000 V的GaN開關，在如此高的電壓下，快速開關非常有用。

結語

為了擴大電源工作范圍和功率密度，半導體材料將繼續(xù)發(fā)展。硅是過去以來的一種重要材料。而在未來10到15年里，GaN將是一種極為出色的材料。未來，還可能出現(xiàn)其他激動人心的材料。電子技術已在汽車、人工智能、通信連接等領域取得了巨大的發(fā)展，今后還將繼續(xù)發(fā)展，以解決人類面臨的重大問題。在這些領域，相關的應用將繼續(xù)創(chuàng)新，會對功率、密度、穩(wěn)健性和效率提出更高的要求，而GaN使我們有機會跟上這些創(chuàng)新發(fā)展。

參考文獻

1 “SEMI報告：2023年全球硅晶圓出貨量和收入下降”，SEMI，2024年2月。

2 Felix Ejeckam、Daniel Francis、Firooz Faili、Daniel Twitchen和Bruce Bolliger，“金剛石基GaN：發(fā)展歷史簡介”，2014年Lester Eastman高性能器件會議(LEC)

3 Larry Spaziani和Lucas Lu，“硅、GaN和SiC：所有材料都能大展拳腳”，2018年IEEE第30屆國際功率半導體器件和集成電路年會(ISPSD)。

4 “GaN是否有體二極管？如果有，就正向壓降和反向恢復特性而言，GaN與硅MOSFET相比如何？”，EPC，2022年2月。

5 “P-n結”，大英百科全書。

6 Yaozong Zhong、Jinwei Zhang、Shan Wu、Lifang Jia、Xuelin Yang、Yang Liu、Yun Zhang和Qian Sun，“硅基GaN電力電子器件綜述”，F(xiàn)undamental Research，第2卷第3期，2022年5月。