經(jīng)過大量實(shí)踐檢驗(yàn)，已被證明安全可靠的硅MOSFET已經(jīng)成為電源電路設(shè)計(jì)的中流砥柱，但隨著基于氮化鎵的最新功率器件技術(shù)的發(fā)展，電源設(shè)計(jì)的趨勢(shì)正逐漸轉(zhuǎn)向GaN晶體管。

硅功率MOSFET電源晶體管多年來一直是電源設(shè)計(jì)的中流砥柱。時(shí)至如今，盡管硅MOSFET仍被廣泛使用，但在某些新的設(shè)計(jì)中，氮化鎵(GaN)晶體管已經(jīng)開始逐漸取代硅MOSFET。隨著GaN技術(shù)的最新發(fā)展，再加上經(jīng)過大量優(yōu)化的GaN器件和驅(qū)動(dòng)電路的可用性不斷提高，使更多的電源設(shè)計(jì)工程師開始關(guān)注并嘗試基于GaN器件的設(shè)計(jì)可能性。GaN功率器件擁有比傳統(tǒng)的硅MOSFETs的器件更顯著的優(yōu)勢(shì)：例如更快的開關(guān)速度，更高的效率等等。

圖1，氮化鎵開關(guān)速度快，可以大幅度提升效率

氮化鎵器件

GaN功率器件到現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展很多年了（見圖2）。早期的器件是在昂貴的襯底上制作的。例如，藍(lán)寶石（sapphire）或碳化硅(SiC)襯底。主要應(yīng)用是用于高頻的RF射頻功率放大器。由于氮化鎵具有很高的電子遷移率和很高的耐壓特性，這些器件可以在GHz頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生數(shù)百瓦的功率。

圖2，氮化鎵器件商用化到現(xiàn)在已經(jīng)快10年

這種晶體管被稱為高電子遷移率晶體管(HighElectronMobilityTransistors，HEMTs)。HEMTs是金屬-半導(dǎo)體結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的一種形式，采用不同的材料作為柵極和溝道。這些是“耗盡型”FETs，溝道是自然“開啟”的，即“常開”。不像“增強(qiáng)型”FETs的溝道是自然“關(guān)閉”的（即“常關(guān)”），常開型HEMT FETs需要關(guān)鍵的偏置網(wǎng)絡(luò)才能正常運(yùn)行。

圖3 主要應(yīng)用與分布式結(jié)構(gòu)的通信高端領(lǐng)域，如無線基站和交換機(jī)設(shè)備、路由器、數(shù)據(jù)中心產(chǎn)品。對(duì)電壓精度、效率、動(dòng)態(tài)響應(yīng)、排序、控制及端口協(xié)議都有嚴(yán)格的要求。

基于失效安全和設(shè)計(jì)簡單的要求，功率器件最終還是要發(fā)展出增強(qiáng)型（Enhancement-mode）的GaN FET。它是絕緣柵型的。與其他GaN器件一樣，它們擁有高速開關(guān)、高擊穿電壓和高溫工作等優(yōu)勢(shì)。盡管到目前為止，增強(qiáng)型GaN器件比硅MOSFETs昂貴，但它們更適合電源設(shè)計(jì)，并提供了一個(gè)可以獲得更高性能和效率的設(shè)計(jì)路徑。

圖4 氮化鎵常關(guān)型器件是氮化鎵功率器件的發(fā)展趨勢(shì)

高壓設(shè)計(jì)案例

開關(guān)電源（SMPS）設(shè)計(jì)是提高能量轉(zhuǎn)換效率和節(jié)約能源的答案。大多數(shù)新設(shè)計(jì)采用SMPS技術(shù)，包括穩(wěn)壓器、DC-DC轉(zhuǎn)換器、點(diǎn)負(fù)載轉(zhuǎn)換器和逆變器。然而，即使是SMPS設(shè)計(jì)也是可以進(jìn)一步改進(jìn)的。

我們都知道，每一個(gè)功率變換階段，效率都會(huì)下降。將高電壓轉(zhuǎn)換為較低的直流電，用于通常需要多個(gè)DC-DC變換和穩(wěn)壓環(huán)節(jié)的處理器和FPGAs。如果可以使用高壓器件進(jìn)行轉(zhuǎn)換，則可以減少電壓轉(zhuǎn)換的次數(shù)，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率。GaN器件則提供了這種可能性。

數(shù)據(jù)中心電力系統(tǒng)就是一個(gè)例子。數(shù)據(jù)中心包含許多高功率的服務(wù)器，這些服務(wù)器通常需要大電流和低電壓。我們都知道，維持?jǐn)?shù)據(jù)中心工作的電費(fèi)是非常高昂的，再加上冷卻這些高負(fù)荷運(yùn)作的服務(wù)器所需要的電力，整個(gè)的能耗是非常之高。所以，在電能變換路徑上的任何關(guān)于節(jié)能的思考和方法都是值得的。圖5(a)顯示了具有120或240V交流輸入的典型電源。

圖5 （a）具有120或240V交流輸入的典型電源 (b)通過使用不同的電路拓?fù)湟约案俚淖儞Q模塊來提高功率轉(zhuǎn)換效率。

如圖5(a)中所示，功率因素校正(PFC)模塊是電氣設(shè)備所必須的。這通常是一個(gè)直流輸出為380V的升壓變換器。隨后傳遞給一個(gè)Inductor-Inductor-Capacitor(LLC)模塊,提供36-60 V的直流輸出。隨后進(jìn)一步由DC-DC轉(zhuǎn)換器降壓，然后再通過POL變換模塊將電壓轉(zhuǎn)換到1-1.8V，用于處理器、內(nèi)存和FPGAs的供能。上述的每一個(gè)變換“關(guān)口”都對(duì)系統(tǒng)效率征收了一筆“關(guān)稅”,使得效率大大降低。

如圖5(b)所示的電路拓?fù)涫墙档蜕鲜觥瓣P(guān)稅”的解決方案。在PFC階段，可以替換擁有高耐壓高開關(guān)速度的GaN器件。氮化鎵器件更高的開關(guān)頻率，意味著整個(gè)模塊中的磁性元器件都可以縮小和提效。在LLC降壓階段同樣替換GaN器件，使得開關(guān)頻率提高到1MHz以上，來輸出 36到60V。用于POL模塊的一個(gè)電壓典型值是48V，這一個(gè)階段也可以使用GaN器件。上述的整個(gè)設(shè)計(jì)，不但可以是的整個(gè)系統(tǒng)更小，同時(shí)更高效。

另一個(gè)應(yīng)用是太陽能逆變器。太陽能電池板通常會(huì)驅(qū)動(dòng)一個(gè)DC-DC升壓變換器。反過來，該DC-DC轉(zhuǎn)換器會(huì)驅(qū)動(dòng)DC-AC逆變器，該逆變器可以供應(yīng)適用于負(fù)載和電網(wǎng)需求的120/240V AC 60Hz交流電。一些太陽能系統(tǒng)可能包括電池存儲(chǔ)模塊。在上述的存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換這兩個(gè)模塊，都可以使用GaN器件，讓其工作在超過100 kHz的開關(guān)頻率下，可以大大提高整個(gè)系統(tǒng)的效率。

除了DC-DC轉(zhuǎn)換器、POL轉(zhuǎn)換器和逆變器之外，其他基于GaN器件的應(yīng)用還包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)和D類大功率音頻放大器。