導入Cascode結構 GaN FET打造高效率開關

為提高高壓電源系統能源效率，半導體業者無不積極研發經濟型高性能功率場效應電晶體（FET）；其中，採用Cascode結構的氮化鎵（GaN）FET，由於導通和開關損耗極低，且具備比矽FET出色的反向恢復（Qrr）特性，因而能顯著改善電源系統開關效率。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/226585.htm

　　射頻（RF）應用的氮化鎵（GaN）電晶體已面世多年，最近業界的重點開發面向為電力電子應用的經濟型高性能GaN功率電晶體。十幾家半導體公司都在積極開發幾種不同的方法，以實現GaN功率場效應電晶體（FET）商業化。

　　GaN HEMT模組解析

　　基本的GaN構建模組就是高電子遷移率電晶體（HEMT），它由一塊基板上生長的各種GaN層構成。矽是首選基板，因為它能夠以極低的成本應用到大直徑晶圓中。碳化矽（SiC）或藍寶石之類的替代基板可能更易於生長GaN層，但是這些基板的成本過高，讓商業化和廣泛應用變得完全不切實際。HEMT基本上是一種超高速、常開元件，像通過施加負閘偏壓即可關閉的電阻。耗盡型（常開）特性對於將其應用到傳統電力電子電路拓撲中來說可能是一種挑戰。例如，半橋拓撲如今被廣泛應用，如果耗盡型FET被用做上臂、下臂開關，那麼有必要讓閘極控制電路正常運行，從而再為DC匯流排加電前提供負偏壓，因為如果未偏壓，半橋就會短接匯流排。另一種替代方法是將非耗盡型主使能開關與半橋串聯，一旦橋接電路的剩餘部分可以正常運行了，即可被啟動，但是這樣會增加成本和傳導損耗。

　　另外，還可以調整GaN HEMT設計以便將閘臨界電壓由負轉正，進而實現常關的增強型元件。增強型GaN HEMT可在低、中壓範圍（高達200V）使用，很快就可以達到更高電壓（600V）。然而，就當今的技術而言，由於面臨閘極驅動設計挑戰，所以必須平衡增強型元件的便利性、性能和穩定性，增強型GaN HEMT的臨界值電壓較低，而且可以完全導通的增強型VGS和絕對最大額定值的VGS通常只差1V。鑑於GaN HEMT的開關速度極快，促使從漏極耦合到閘極的C dv/dt造成閘極驅動電路很容易受到「閘極反彈」電壓的影響。儘管如此，增強型GaN HEMT仍然具有誘人優勢，並且將來的產品設計毫無疑問會越來越好。

　　Cascode結構拓展電壓範圍

　　GaN HEMT和低壓（20？40V）矽FET的Cascode連接如圖1所示，Cascode就像工作電壓範圍被GaN HEMT擴展了的低壓矽FET。GaN HEMT與矽FET的漏極相連，將電壓範圍擴展到600V之高。因為HEMT的閘極與矽FET的源極相連，所以矽FET的VDS就成了GaN HEMT的負VGS，從而自動提供必要的負偏壓以實現關斷操作。該結構有助於緩解任何閘極驅動問題，因為被驅動的閘極實際上是低壓矽FET。雖然仍然存在同樣的高開關速度「閘極反彈」問題，但Cascode矽FET的臨界值電壓和最高閘值電壓都比增強型HEMT高得多，進而降低這些問題對它的影響。雖然開爾文（Kelvin）源極引腳和主源極的電路節點相連，但它的電流通路不同，也不與主漏極電流共用，因此消除了「共源電感」，進而減少了寄生L di/dt引起的閘極驅動器介面問題。

　　

　　圖1 GaN HEMT和低壓矽FET的cascode連接示意圖

　　體二極體特性

　　Cascode GaN FET具有出色的體二極體行為。這是600V GaN Cascode開關的主要特性和優勢之一：與絕緣閘雙極性電晶體（IGBT）、Super-junction FET或其他矽FET相比，GaN Cascode的反向恢復電荷（Qrr）要出色得多（與SiC肖特基二極體相似）。隨著溫度的變化，測量的Qrr幾乎是平直的，而溫度升高時矽FET的Qrr會增加二至三倍。原因在於，在給定的Rds（on）下，20？40V FET的Qrr比600V FET低幾個數量級。HEMT沒有少數載流子，因此增加了電容，但是不會增加反向恢復電荷。因此，Cascode提供了25V矽FET的低Qrr性能，卻將電壓範圍擴展到了600V。GaN Cascode與IGBT二極體和Super-junction FET的Qrr比，分別高約二十倍和兩百倍。

　　低Qrr意義重大，因為體二極體性能通常是硬開關應用的制約因素，600V GaN Cascode的傳導損耗低於IGBT，反向恢復電荷低於常與IGBT一起使用的超高速二極體。這樣就能夠在高得多的頻率下採用半橋拓撲，從而改善傳導和開關損耗，而且它的振蕩和過衝也比矽的元件低。

　　即使對於LLC諧振轉換器這樣的軟開關拓撲，GaN Cascode的死區時間也比矽Super-junction FET低，因為其總輸出電荷（Qoss）比具有相同Rds（on）的FET低三倍。即使LLC拓撲是ZVS，在通道反向傳導之前仍然存在著續流二極體，因此Super-junction結構的長反向恢復時間極有可能限制死區時間的降幅。

　　Super-junction Qoss的極端非線性特徵，一般需要幾百奈秒（ns）來充電，而且一旦充電，會瞬間出現很高的dv/dt漏極的電壓。與Super-junction相比，具有相同Rds（on）的GaN級聯FET的充電速度快二至三倍，dv/dt也好得多。因此，與對應的Super-junction相比，GaN Cascode能夠在不增加損耗的情況下實現LLC轉換器的高工作頻率。

　　［@B］元件電容與電荷［@C］元件電容與電荷

　　對於硬開關拓撲，FET輸出電荷Qoss每個周期都會被耗盡，所以Qoss是頻率相關開關損耗的要素之一。因此，FET的普通開關損耗指標就是RDS（on）×Qoss，換句話說，就是在給定的RDS（on）下每個周期損耗了多少輸出電容相關電荷。GaN Cascode開關比當今最好的Super-junction FET還好三倍

電荷放大器相關文章:電荷放大器原理