【導(dǎo)讀】硅材料雖為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)基石，但在速度、功率密度上的瓶頸日益突出。寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)為開關(guān)模式電源帶來突破，其中氮化鎵（GaN）因低電容、高擊穿電壓等優(yōu)勢成為熱門替代方案。本文剖析硅的局限與GaN的特性，探討GaN應(yīng)用中的核心優(yōu)勢與實(shí)際挑戰(zhàn)，并給出解決方案，為電路設(shè)計(jì)人員提供技術(shù)實(shí)踐指引。
寬禁帶技術(shù)在開關(guān)模式電源中越來越受歡迎。如果電路設(shè)計(jì)人員有興趣在未來設(shè)計(jì)中使用這項(xiàng)相對較新的技術(shù)，則有必要了解這項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)，并積累相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。
寬禁帶半導(dǎo)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(chǔ)設(shè)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(yīng)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(dǎo)體技術(shù)，比如砷化鎵(GaAs)、碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)，但設(shè)計(jì)師在使用硅構(gòu)建電路方面已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，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(jì)，2023年晶圓出貨量為126.02億平方英寸，面積足夠覆蓋1000個(gè)足球場。對于始終追求更小解決方案的半導(dǎo)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(shí)間的推移，半導(dǎo)體行業(yè)能夠?qū)⒐璧男阅懿粩嘞蚯巴七M(jìn)。然而，半導(dǎo)體行業(yè)迫切需要認(rèn)真考慮替代硅的半導(dǎo)體技術(shù)，而寬禁帶半導(dǎo)體的相關(guān)研究已取得切實(shí)的成果。
GaAs是一種III-V禁帶半導(dǎo)體，用于微波、激光二極管和太陽能電池等高頻應(yīng)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(yīng)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?qū)崿F(xiàn)電壓范圍遠(yuǎn)高于1000 V的開關(guān)和二極管。
在電源應(yīng)用中，GaN是一種能夠替代或增強(qiáng)硅基電路的特定技術(shù)。在20世紀(jì)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(dǎo)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(guān)（pGaN HEMT器件），替代開關(guān)模式電源中的硅場效應(yīng)晶體管(FET)。在此類電源中，與傳統(tǒng)硅FET器件相比，GaN實(shí)現(xiàn)了更高的電源轉(zhuǎn)換效率。無論是過去還是現(xiàn)在，GaN器件的主要制造難點(diǎn)一直在于能否生長出大尺寸的單晶，從而用來生產(chǎn)高質(zhì)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(guān)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(yùn)行電壓在100 V及以上的應(yīng)用。而對于100 V以下的不同電源設(shè)計(jì)，GaN的功率密度和快速開關(guān)能力也帶來諸多優(yōu)勢，比如提高電源轉(zhuǎn)換效率。
GaN是寬禁帶半導(dǎo)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(shè)計(jì)中，品質(zhì)因數(shù)的重要性不盡相同。舉例來說，在400 V中間總線應(yīng)用中，比如在240 V AC電源轉(zhuǎn)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(shí)，需要93 nC的柵極電荷，而使用GaN FET時(shí)，僅需9 nC的柵極電荷。3 使用此類開關(guān)的應(yīng)用將在約1 kW至8 kW的功率電平下運(yùn)行。使用具有小柵極電容的GaN器件的好處在于，開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)間顯著加快，開關(guān)損耗降低，最終實(shí)現(xiàn)更高的電源轉(zhuǎn)換效率，特別是當(dāng)開關(guān)頻率較高且采用較小的磁性元件時(shí)。
在開關(guān)模式電源中使用寬禁帶半導(dǎo)體
用GaN器件替代硅基MOSFET時(shí)，肯定會(huì)遇到一些挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)與GaN柵極驅(qū)動(dòng)、開關(guān)過程中的快速電壓變化及死區(qū)時(shí)間內(nèi)的高導(dǎo)通損耗有關(guān)。
首先，GaN開關(guān)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(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)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(huì)損壞器件。建議的柵極驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)器級必須嚴(yán)格限制最大柵極驅(qū)動(dòng)電壓，以免損壞GaN器件。
此外，必須關(guān)注電源開關(guān)節(jié)點(diǎn)處的快速電壓變化(dv/dt)，這有可能導(dǎo)致底部開關(guān)誤導(dǎo)通。GaN器件的柵極電壓非常小。任何在鄰近區(qū)域（比如開關(guān)節(jié)點(diǎn)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(guān)的小尺寸柵極，從而使其導(dǎo)通。為了更好地控制導(dǎo)通和關(guān)斷曲線，需要布置單獨(dú)的上拉和下拉引腳，并精心設(shè)計(jì)印刷電路板布局。
此外，GaN FET在死區(qū)時(shí)間的導(dǎo)通損耗較高，在死區(qū)時(shí)間，電橋配置的高側(cè)和低側(cè)開關(guān)均斷開。死區(qū)時(shí)間對于防止高側(cè)電壓軌與接地端之間發(fā)生短路必不可少。在死區(qū)時(shí)間內(nèi)，低側(cè)開關(guān)通常會(huì)產(chǎn)生流經(jīng)低側(cè)開關(guān)體二極管的電流。要解決此類死區(qū)時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通損耗較高的問題，一種方法是盡可能縮短死區(qū)時(shí)間的時(shí)長。與此同時(shí)，還必須注意高側(cè)和低側(cè)開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)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(zhuǎn)換范圍，快速的上升和下降時(shí)間能夠?qū)崿F(xiàn)比硅MOSFET更小的占空比。
使用除硅以外的其他開關(guān)
在電源轉(zhuǎn)換行業(yè)，硅開關(guān)多年來一直用作功率級開關(guān)。現(xiàn)在，GaN開關(guān)已可供電源設(shè)計(jì)人員使用，但如何用它們來取代硅開關(guān)？它們是直接替代產(chǎn)品，還是在功率級設(shè)計(jì)方面有所不同？
圖1所示為典型降壓穩(wěn)壓器開關(guān)模式電源的功率級。紅色箭頭表示在開關(guān)模式電源中使用GaN開關(guān)時(shí)可能需要的額外組件。GaN開關(guān)不具備體二極管的便捷性。硅MOSFET中的體二極管是p-n結(jié)，該p-n結(jié)通過硅工藝的結(jié)構(gòu)形成。GaN技術(shù)的工藝略有不同，因此無法使用簡單的p-n結(jié)體二極管。4 然而，GaN開關(guān)雖采用不同的機(jī)制，但可產(chǎn)生類似的結(jié)果。GaN器件的導(dǎo)通僅涉及多數(shù)載流子，因此不存在反向恢復(fù)。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(huì)變得非常大。所以，死區(qū)時(shí)間內(nèi)的功率損耗相當(dāng)高。這便是為什么與硅開關(guān)相比，在使用GaN開關(guān)時(shí)務(wù)必要縮短死區(qū)時(shí)間。
硅MOSFET具有體二極管，在開關(guān)模式電源的死區(qū)時(shí)間內(nèi)，電源設(shè)計(jì)會(huì)大量使用體二極管。在降壓穩(wěn)壓器的低側(cè)開關(guān)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(cè)開關(guān)中沒有體二極管，則每段死區(qū)時(shí)間都會(huì)導(dǎo)致降壓穩(wěn)壓器中的開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓趨于負(fù)無窮。在達(dá)到負(fù)無窮之前，電路無疑會(huì)因?yàn)殡妷撼鲩_關(guān)的額定電壓而失去能量，最終燒毀。4
使用GaN開關(guān)時(shí)，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?qū)ā?br/>
不同于硅MOSFET，GaN開關(guān)不包含p-n結(jié)體二極管，因此在構(gòu)建低側(cè)開關(guān)時(shí)，需要在低側(cè)開關(guān)周圍設(shè)計(jì)一條備用電流路徑，以允許電流在死區(qū)時(shí)間內(nèi)流動(dòng)。圖1所示為放置在低側(cè)GaN開關(guān)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(shí)間內(nèi)，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?qū)ㄆ陂g會(huì)發(fā)生翻轉(zhuǎn)。柵極保持在接地電位，但開關(guān)節(jié)點(diǎn)自偏置為GaN FET的最小導(dǎo)通閾值。這個(gè)低電壓是導(dǎo)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(huì)受到反向?qū)ǖ挠绊憽Ｍ獠啃ぬ鼗莻溆寐窂剑瑹o需在反向?qū)〞r(shí)導(dǎo)通GaN FET。
如圖2所示，使用GaN開關(guān)時(shí)，對電路進(jìn)行的第二個(gè)修改是將電阻與二極管D1串聯(lián)，為電路的高側(cè)驅(qū)動(dòng)器提供來自INTVCC電源電壓的基本電壓。可能需要這個(gè)電阻來限制高側(cè)驅(qū)動(dòng)器的峰值電流。
此外，要防止高側(cè)驅(qū)動(dòng)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(shù)作為LTC7800降壓轉(zhuǎn)換器功率級中的電源開關(guān)時(shí)有必要考慮的組件。
雖然圖1中的額外組件看起來相當(dāng)簡單直接，但要確保該電路在所有工作條件下都能可靠運(yùn)行，需要在工作臺上進(jìn)行微調(diào)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(yán)重的風(fēng)險(xiǎn)是GaN開關(guān)永久性損壞。
使用特殊GaN控制器
如果開關(guān)模式電源的功率級使用GaN開關(guān)，要想免去對于保護(hù)功能的關(guān)鍵評估，一個(gè)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(guān)而設(shè)計(jì)。選擇專用GaN控制器可以簡化GaN電源設(shè)計(jì)，增強(qiáng)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(shè)計(jì)。
圖2.專用GaN控制器有助于實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健且密集的電源電路
此類專用的開關(guān)控制器不僅實(shí)現(xiàn)了簡單的設(shè)計(jì)，還提供所需的靈活性，可與當(dāng)今市場上的不同GaN開關(guān)配合使用。此外，GaN開關(guān)技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新還遠(yuǎn)未結(jié)束。未來的GaN開關(guān)將不同于當(dāng)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(guān)相比，未來的GaN開關(guān)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(guān)提供專用的上、下柵極驅(qū)動(dòng)引腳。如此一來，便可以單獨(dú)控制GaN開關(guān)柵極電壓的上升和下降斜率。這有助于完全通過GaN開關(guān)驅(qū)動(dòng)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(dú)柵極驅(qū)動(dòng)引腳。然而，LTC7891與專為硅開關(guān)設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)控制器之間還存在許多其他差異。內(nèi)部Bootstrap開關(guān)用于防止高側(cè)驅(qū)動(dòng)器在死區(qū)時(shí)間內(nèi)過度充電。此功能可以可靠地實(shí)現(xiàn)，而不需要依賴外部的組件。
另一個(gè)重要特性是智能的近零死區(qū)時(shí)間控制。該特性可以實(shí)現(xiàn)可靠的操作，并顯著提高電源轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)還支持高開關(guān)頻率。LTC7891的額定開關(guān)頻率高達(dá)3 MHz。
另一個(gè)獨(dú)特之處是可以將柵極驅(qū)動(dòng)電壓從4 V精確調(diào)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(fù)措施來使傳統(tǒng)硅控制器與GaN開關(guān)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(jìn)行了優(yōu)化的驅(qū)動(dòng)器級。這種方法可解決GaN帶來的挑戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)簡單而穩(wěn)健的設(shè)計(jì)。圖3為采用LT8418驅(qū)動(dòng)器IC實(shí)現(xiàn)的降壓穩(wěn)壓器功率級。該驅(qū)動(dòng)器采用小巧的WLCSP（晶圓級芯片規(guī)模封裝），可實(shí)現(xiàn)非常低的寄生電阻和電感，從而降低快速電流變化導(dǎo)致的電壓失調(diào)。
圖3.專用GaN驅(qū)動(dòng)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(shè)計(jì)
選定合適的硬件、控制器IC和GaN開關(guān)之后，可通過詳細(xì)的電路仿真來快速獲得初步評估結(jié)果。ADI公司的LTspice提供完整的電路模型，可免費(fèi)用于仿真。這是學(xué)習(xí)使用GaN開關(guān)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(shí)用的GaN電源仿真工具
集成寬禁帶
盡管GaN技術(shù)非常適合構(gòu)建FET并將FET用于先進(jìn)的功率級，但要將GaN用作開關(guān)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(yù)見的未來，我們將采用混合方法。控制電路將以硅為基礎(chǔ)，通過高度優(yōu)化的控制和驅(qū)動(dòng)電路來驅(qū)動(dòng)高功率GaN開關(guān)。就目前的技術(shù)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(gè)電路中使用多個(gè)裸片。如本白皮書中的示例所示，可以采用單獨(dú)的GaN開關(guān)，也可以采用ADI的全集成混合方法，將多個(gè)裸片集成在電源轉(zhuǎn)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(zhì)量的GaN依然是個(gè)難題。金剛石基GaN是制造GaN開關(guān)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?yàn)镠EMT可能實(shí)現(xiàn)更大的晶圓直徑，與現(xiàn)有硅加工基礎(chǔ)設(shè)施相關(guān)的成本也更低。2 HEMT在早期遇到的技術(shù)挑戰(zhàn)也已解決。但HEMT技術(shù)還需要經(jīng)過多年的進(jìn)一步開發(fā)。使用HEMT方法時(shí)，GaN器件使用硅晶圓上的GaN外延制成，因此不會(huì)像硅或SiC那樣生長為體晶。
針對采用GaN開關(guān)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(guān)設(shè)計(jì)的現(xiàn)有電源管理器件
GaN技術(shù)的未來
GaN技術(shù)在開關(guān)模式電源領(lǐng)域已經(jīng)取得了許多成果，可用于許多電源應(yīng)用。未來，GaN開關(guān)技術(shù)仍將持續(xù)迭代更新，進(jìn)一步探索應(yīng)用前景。ADI公司現(xiàn)有的GaN開關(guān)模式電源控制器和驅(qū)動(dòng)器靈活且可靠，能夠兼容當(dāng)前及今后由不同供應(yīng)商研發(fā)的GaN FET。
現(xiàn)在，我們正朝著實(shí)現(xiàn)GaN應(yīng)用的方向努力，而且在許多方面已經(jīng)取得了進(jìn)展。首先，如今的GaN開關(guān)本身已十分穩(wěn)健。但對于這項(xiàng)相對較新的技術(shù)，要讓用戶完全接受和認(rèn)可開關(guān)的可靠性，還需要時(shí)間和進(jìn)一步的技術(shù)發(fā)展。其次，GaN開關(guān)的制造工藝將進(jìn)一步改進(jìn)，提高良率，降低缺陷密度，從而降低成本并提高GaN開關(guān)的可靠性。再者，越來越多的專用GaN驅(qū)動(dòng)器（如LT8418）和開關(guān)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(guān)模式電源的實(shí)現(xiàn)。
常見的GaN電壓是100 V和650 V。因此，第一批采用GaN技術(shù)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(shí)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(huì)看到電壓高達(dá)1000 V的GaN開關(guān)，在如此高的電壓下，快速開關(guān)非常有用。
結(jié)語
以GaN為代表的寬禁帶半導(dǎo)體，正憑借優(yōu)異特性重塑開關(guān)模式電源的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。雖GaN在柵極驅(qū)動(dòng)等方面存挑戰(zhàn)，但專用控制器（如LTC7891）、驅(qū)動(dòng)器（如LT8418）及仿真工具（如LTspice）已推動(dòng)其落地應(yīng)用。目前GaN在100V與650V電源中成效顯著，未來隨工藝成熟與電壓范圍拓展，應(yīng)用將更廣泛。硅基控制與GaN功率開關(guān)的混合架構(gòu)將成主流，持續(xù)創(chuàng)新將讓寬禁帶技術(shù)為高效小型化電源提供核心動(dòng)力。
參考文獻(xiàn)
1 “SEMI報(bào)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(huì)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(dǎo)體器件和集成電路年會(huì)(ISPSD)。
4 “GaN是否有體二極管？如果有，就正向壓降和反向恢復(fù)特性而言，GaN與硅MOSFET相比如何？”，EPC，2022年2月。
5 “P-n結(jié)”，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。
