硅功率MOSFET在電源轉換領域的應用

　　圖5b：開關頻率為1.5MHz的48V至1V轉換波形。

　　圖5c：48V至0.5V轉換波形。

　　GaN除了能增加VIN/VOUT比值范圍外，還能顯著降低降壓轉換器在任何VIN/VOUT比值時的開關損耗。比較12V至1V轉換器就可以發現這種性能的顯著改善，見圖6。

　　圖6：對三種流行的負載點轉換器和采用EPC1014/EPC1015 GaN晶體管開發的轉換器在VIN=12V和VOUT=1V、電流為5A和開關頻率為600kHz時的功率損失比較。

　　隨著新的GaN晶體管快速涵蓋當前功率MOSFET和IGBT的電流和電壓范圍，AC/DC轉換、同步整流和功率因素校正都將能實現明顯的性能提高。

　　D類音頻放大器

　　D類音頻放大器經常面臨著成本、體積和聲音失真之間的折衷考慮。影響失真的最大因素是死區時間和輸出濾波器的相移。

　　D類音頻放大器有三種根據死區時間改變輸出脈寬的獨特操作模式。正向電感電流模式是基于高側開關進行整流，反向電感電流模式是基于低側開關進行整流，而雙向電流則基于每個開關進行整流。這些模式將死區時間分別設置在上升沿、下降沿或既不是上升沿也不是下降沿的地方。死區時間長短決定了與這種現象有關的失真度。有限開關速度和體二極管前向電壓將進一步增強這一效應。增強型GaN晶體管具有非常低的柵極電荷，因此具有非常短的延時和非常快的開關速度。高精度的開關允許更好地控制開關情況，進一步縮短死區時間，從而實現更低的失真。

　　輸出濾波器的尺寸和反饋增益由開關頻率決定。在低開關頻率時，必須使用大的濾波電容和電感，以便從想要的信號中消除載波頻率。大值的濾波元件不僅增加了放大器的成本和尺寸，還會造成相移，從而降低系統的穩定性，限制用于補償許多元件失真的反饋增益，最終影響系統的保真度。采用傳統硅MOSFET時開關頻率非常有限，因為功耗會由于高開關損耗而迅速上升。

　　GaN晶體管能夠同時提供低的RDS(ON)和低的柵極電荷(QG)，因此在數MHz范圍內都能提供出色的效率。這時放大器可以使用更小值的濾波元件，從而減少它們對成本、尺寸和失真的影響，并允許更高的增益反饋，減小開關放大器對失真的影響。是以增強型GaN晶體管可以給D類應用帶來明顯更高的保真度和更低的成本。

　　增強型GaN晶體管易于使用嗎?

　　器件是否容易使用取決于多方面因素，包括使用者技能、待開發電路的難易程度、與用戶熟悉的器件相比有多大的差異以及幫助用戶使用器件的工具可用性等。

　　新一代增強型GaN晶體管的行為與現有功率MOSFET非常相似，因此用戶可以充分利用已有的設計經驗。有兩個關鍵領域需要特別加以關注：較低的柵極電介強度(及在有限柵極漏電流于每毫米柵極寬度毫安數量級)和較高的頻率響應。這兩種差異中的第一種——較低柵極電介強度將隨著技術的成熟而不斷提高。同時，需要采取一定的措施消除工作區的靜電放電現象，并且設計電路時要保持VGS低于數據手冊中的最大值(8)。第二種差異——較高頻率響應不僅是指階躍函數性能比以前任何硅器件要高，而且用戶在設計電路版圖時需要多加考慮。例如，少量的雜散寄生電感可能導致柵極至源極電壓發生較大的過沖現象，進而有可能損壞器件。

　　另一方面，也有幾種特性使得這些器件比它們的前代硅器件更加容易使用。例如，閾值電壓實際上在很寬范圍內獨立于溫度(8)，導通電阻的溫度系數也比硅小得多(8,9)。

　　GaN晶體管也能夠在高達300℃的溫度下正常工作，但在125℃以上,PCB的焊接會影響實際應用。因此第一款商用增強型器件的工作溫度最高為125℃。

　　表1從易用性的角度對硅功率MOSFET和EPC1001 GaN晶體管的基本特性作了較為完整的比較。

　　表1

　　易于使用的工具對新器件的易用性起了很大的作用。宜普公司已經開發出一整套TSPICE器件模型供用戶下載使用(10)。圖7顯示了一個簡單電路，并對實際器件性能和使用TSPICE模型仿真的結果作了比較。雖然還需要做多些使這些模型操作完善的工作，但第一代產品應提供相當可靠的電路性能預測，從而提高工程師的產能，縮短產品上市時間。

　　圖7：電路圖及EPC1001 TSPICE仿真結果與實際測量的電路性能的波形圖比較。

　　多年來的應用手冊和設計技巧匯集了工程師們的集體智慧和經驗。描述于上百種使用功率MOSFET的應用, 已刊載于數千條的應用筆記。GaN用戶可能要花幾年時間才能理解如此大量的知識，但是因為增強型GaN晶體管和硅功率MOSFET之間的相似性，這些知識及經驗將繼續有效。是以指導用戶使用具有非凡特性的GaN的應用筆記, 可從許多現有資料來源找到(11, 12)。

　　對用戶而言是否極具成本效益?

　　基于不同技術而制成的產品, 其成本比較需要慎重進行。另外，如果供需失衡，產品價格就不能真實反映其成本。由于GaN功率晶體管市場還在發展的早期階段，因此最有意義的信息是在硅功率MOSFET和市場上第一代增強型晶體管之間的成本比較。

　　影響產品成本的基本因素有：

　　初始材料

　　外延生長

　　晶圓制造

　　測試與裝配

　　為了便于分析，影響成本的其它因素如良率、工程成本、包裝和運輸成本以及一般開銷成本,在不同的技術下被設定為相同。

　　初始材料

　　硅基GaN器件一般在150mm基板上生產(未來產品將移植到200mm)，而這一領域中的許多制造商是在100mm至200mm的基板上生產功率MOSFET的。由于GaN器件使用標準的硅基板，因此與在相同直徑的初始材料上制造功率MOSFET相比, 成本不變。事實上，在150mm和200mm硅晶圓之間, 每單位面積的成本差別是很少，因此我們可以得出的結論是GaN在每片晶圓之起始材料方面，就不存在真正的成本差異。如果考慮到具有相同電流承載能力的GaN器件面積比硅器件小，那么GaN每個功能的成本會更低。

　　外延生長

　　硅外延生長是一種成熟技術，許多公司都制造高效率和自動化的機器。MOCVD GaN設備至少有兩個來源，即美國的Veeco (13)和德國的Aixtron (14)。這兩家公司都制造功能強大且可靠的機器，這些機器的主要用途就是發光二極管制造中使用的GaN外延生長。沒有一臺機器針對硅基GaN外延優化過，也沒有硅機器中常見的自動化水平。因此，硅基GaN外延要比目前的硅外延較為昂貴。