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作為第三代半導(dǎo)體材料的典型代表,寬禁帶半導(dǎo)體氮化鎵(GaN)具有許多硅材料所不具備的優(yōu)異性能,是高頻、高壓、高溫和大功率應(yīng)用的優(yōu)良半導(dǎo)體材料,在民用和軍事領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。隨著GaN技術(shù)的進(jìn)步,特別是大直徑硅(Si)基GaN外延技術(shù)的逐步成熟并商用化,GaN功率半導(dǎo)體技術(shù)有望成為高性能低成本功率技術(shù)解決方案,從而受到國(guó)際著名半導(dǎo)體廠(chǎng)商和研究單位的關(guān)注。

氮化鎵原理：

GaN功率元器件是指電流流通路徑為GaN的元器件。“GaN”曾被作為發(fā)光材料進(jìn)行過(guò)研究，現(xiàn)在仍然作為已普及的發(fā)光二極管(LED)照明的核心部件藍(lán)色LED用材料廣為使用。

GaN與Si和SiC元件的不同之處在于元件的基本“形狀”。圖1為使用GaN的電子元器件的一般構(gòu)造。晶體管有源極、柵極、漏極3個(gè)電極，Si和SiC功率元器件稱(chēng)為“縱向型”，一般結(jié)構(gòu)是源極和柵極在同一面，漏極電極在基板側(cè)。GaN為源極、柵極、漏極所有電極都在同一面的“橫向型”結(jié)構(gòu)。在以產(chǎn)業(yè)化為目的的研究中，幾乎都采用這種橫向型結(jié)構(gòu)。

之所以采用橫向型結(jié)構(gòu)，是因?yàn)橄Ｍ麑⒋嬖谟贏lGaN/GaN界面的二維電子氣(2DEG)作為電流路徑使用。GaN既是具有自發(fā)電介質(zhì)極化(自發(fā)極化)的晶體，也是給晶體施加壓力即會(huì)重新產(chǎn)生壓電極化(極化失真)的壓電材料。AlGaN與GaN在自發(fā)極化存在差別，由于晶格常數(shù)不同，如果形成如圖1中的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)，為了匹配晶格常數(shù)，晶體畸變，還會(huì)發(fā)生極化失真。因這種無(wú)意中產(chǎn)生的電介質(zhì)極化之差，如圖2所示，GaN的禁帶向AlGaN下方自然彎曲。因此，其彎曲部分產(chǎn)生2DEG。由于這種2DEG具有較高的電子遷移率(1500cm2/Vs左右)，因此可進(jìn)行非常快的開(kāi)關(guān)動(dòng)作。但是，其另外一面，相反，由于電子流動(dòng)的路徑常時(shí)存在，因此成為柵極電壓即使為0V電流也會(huì)流過(guò)的稱(chēng)為“常開(kāi)型(normally-on)”的元件。


正如之前所提及的，對(duì)WBG材料的最大期待是提高耐壓性能。由于SiC基本可以實(shí)現(xiàn)與Si相同的縱向型結(jié)構(gòu)，因此發(fā)揮材料特性的耐壓性能得以提升。但是，GaN則情況不同。圖1所示的橫向型結(jié)構(gòu)較難提升耐壓性能，這一點(diǎn)通過(guò)Si元件既已明了，只要GaN也采用圖1的結(jié)構(gòu)，物理特性上本應(yīng)實(shí)現(xiàn)的耐壓性能就很難發(fā)揮出來(lái)。但是，本來(lái)對(duì)WBG材料的期待就是耐壓特性，因此，發(fā)布的GaN元器件多為耐壓提升產(chǎn)品。但是，提升耐壓性能的方法基本上只能通過(guò)增加?xùn)艠O/漏極間的距離，而這樣芯片就會(huì)增大，芯片增大就意味著成本上升。

只要采用圖1的結(jié)構(gòu)，GaN功率元器件的特點(diǎn)不僅是耐壓性能，還有使用２DEG的高速電子遷移率而來(lái)的高頻動(dòng)作性能。

基于原型eGaN FET的PSE轉(zhuǎn)換器

針對(duì)48V至53V基于eGaN FET的半磚供電設(shè)備轉(zhuǎn)換器，可以選擇采用全橋同步整流器(FBSR)拓?fù)涞南嘁迫珮?PSFB)轉(zhuǎn)換器(如圖3所示)。由于功率較高，在半磚體積中構(gòu)建了兩個(gè)交錯(cuò)式轉(zhuǎn)換器，而不是采用并聯(lián)器件的單個(gè)轉(zhuǎn)換器。這樣做不僅避免了并聯(lián)器件所產(chǎn)生的復(fù)雜性，而且使用兩個(gè)獨(dú)立的轉(zhuǎn)換器理論上允許通過(guò)切相來(lái)提高輕載時(shí)的效率。圖4顯示了一相和兩相工作時(shí)的效率結(jié)果，其中采用簡(jiǎn)單切相時(shí)的輕載效率提高了至少2%。

每個(gè)轉(zhuǎn)換器的工作頻率為250kHz，其輸出紋波頻率為1MHz。圖5顯示了更完整的原理圖。其目的是要顯示由于開(kāi)關(guān)頻率的提高和氮化鎵器件的尺寸相對(duì)較小，可以在有限的體積中構(gòu)建兩個(gè)這樣的轉(zhuǎn)換器。選擇4:7的變壓器匝比意味著，當(dāng)VIN為60V時(shí)，副邊繞組電壓(不包括開(kāi)關(guān)尖峰)大約為105V，因此，副邊可以使用200V的器件，原邊則可以使用100V的器件。

基于eGaN FET的實(shí)際原型見(jiàn)圖6。從圖中可以看出，與傳統(tǒng)磚式設(shè)計(jì)不同，磁性元件沒(méi)有集成在主印刷電路板上，而是安放在幾個(gè)獨(dú)立的印刷電路板上。這樣不僅能夠減少主印刷電路板所需的層數(shù)，而且允許輸出濾波器使用傳統(tǒng)的表面貼裝電感。轉(zhuǎn)換器使用八層、每層兩盎司銅的印刷電路板。變壓器繞組是通過(guò)在繞組窗口層疊兩個(gè)八層電路板(并聯(lián))而創(chuàng)建的。