您已了解GaN晶体管出色的性能,您很兴奋。样品总算来到,您将它们放入板中。您打开电源,施加负载,结果……性能并没有比以前更好。更糟糕的是,遇到了以前不存在的开关问题。这些晶体管不好。真遗憾。为何出现这种情况?有没有可能遗漏了什么?

20多年来,硅功率MOSFET已在开关电源中占据主导地位。在这些应用中,采用以前的双极晶体管技术还无法实现高速和降低与频率相对的功耗。随着时间的推移,功率MOSFET已改进,渐渐接近一个理想开关的性能。但是,如果终端应用要充分利用其优势,还必须理解这些晶体管独特的非理想特性。随着功率MOSFET开关速度提升及硅技术的进步,电路设计人员已被迫对元件位置和电路板布署作出更慎重的决定,以提升能效,同时管理寄生元件以控制噪声和干扰。

GaN晶体管代表朝理想开关发展的下一步,并在若干方面提供了飞跃的性能。元件布署和寄生元件控制带来的挑战如往常遵循相同的原则,不过现在更为显著,因而提高了对电路布署的基本要求,比起支持慢速功率MOSFET的设计,现在需要的驱动和电源回路设计更加严格。在这方面,客户若尝试将GaN功率晶体管放入现有的为硅功率MOSFET设计的电路中,往往会失望,他们会遇到问题,或至少看不到所期望的性能上的提升。为了从GaN晶体管的应用获得充分的优势,有必要设计以它为中心的系统,而不是认为系统开关可有可无。利用GaN晶体管优势的假设是设计人员选择了善用其优势的电路拓扑结构和控制方法。

GaN功率晶体管和硅功率MOSFET之间的一些关键差异如表1所示,表中对比了第一代GaN元件及新一代硅MOSFET。

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表1 第一代GaN元件及新一代硅MOSFET对比

从表中可看到,GaN元件有更少的栅极电荷,反向恢复电荷也大量减少。此外,与硅元件相比,输出电容特性相对于漏-源电压显得更稳定,并产生出色的输出电容电荷。这些差异导致GaN元件的不同性能。更少的栅极电荷意味着相同的驱动器IC可用更低的驱动损耗。但这些差异真的提供了显著的优势吗?最好的方法是看看GaN可实现的系统优势,而不是将晶体管加入现有的条件中。使用更低的驱动损耗,可增加开关频率,而不增加驱动部分的功耗。增加开关频率可让电路使用更小的磁性元件。根据电路类型和系统要求,还有可能减小大型电容。这些变化可节省空间,实现更高功率密度。

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(其中: Qg = 闸极电荷, Vgs = 施加的闸-源电压, Fsw = 开关频率)

为确保提升功率密度,还必须考虑其他方面。每一次的开关周期,能量储存在晶体管的输出电容,当开关导通时,必须移除输出电容以便元件能使用低电阻运行。如果开关电路采用循环利用能量的方式工作,增加的开关频率并不会造成多余的损耗;一般来说,晶体管输出的开关损耗将与频率成正比。

采用减小的系统尺寸,必须检查热传导路径,确保适当处理剩余功耗,使元件和系统温度要求不违反工作条件。在相同功耗和更高功率密度的情况下,系统热电阻必须相同,使元件的工作温度与较低功率密度时相同。如果要在更小体积中具有相同的系统热电阻,可能需要不同的设计或更多的导热材料。

对于GaN晶体管的另一误解是功率MOSFET带来的特性。当功率MOSFET首次上市时,能量非常有限,过压迫使整个系统电流在关闭状态流过元件。工程师花了多年时间改进元件使其能承受过压事件。然而,由于其他系统性能优势,设计人员继续使用功率MOSFET。类似的情况存在于当今第一代GaN功率晶体管。它们不应指望从系统分流高能量。事实上,即使采用硅功率MOSFET,数据表中的雪崩能量说明了已足以保护客户应用的元件。这给客户错误的安全感。在实际情况下,额定雪崩能量通常不反应元件在客户使用条件下的能力。同样,采用GaN晶体管时,必须注意要限制线路浪涌,以及其他会带着额外能量涌入系统和引起高压漂移的事件。然而,在这方面,当今的GaN晶体管较硅MOSFET占优势。实际击穿电压远高于额定稳态电压,意味着元件损坏前瞬时电压可升得很高。鉴于系统对地电容,仔细的设计不仅包括系统的瞬时浪涌抑制器,还需考虑所需能量以增加GaN晶体管漏-源电压。

GaN晶体管的一项主要优势是开关速度。然而,如果不从系统方面考虑利用这个性能,GaN的优势可能无法实现。采用GaN晶体管提供的快速边缘速率,系统设计人员可显著增加开关频率。虽然寄生电感总是对开关电路产生影响,但当边缘速率和开关频率上升,这个影响变得更加重要。更快的边沿速率包含更多高频谐波含量,增加作为传导电磁干扰(EMI)或辐射EMI传输的风险。结合功率晶体管和外设电路,必须适当调谐传导EMI滤波,而非错误地认为依赖现有设计即可。为减小辐射EMI,必须保持开关节点尽可能短而宽。

由于封装在快速开关晶体管中的寄生电感已经证明对电源转换能效有显著影响,PCB布署仍很关键。必须充分减小电源和驱动回路内的总电感,以达到对元件开关性能的最佳控制。这些电感的示例如图1所示。

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图1:电源和驱动电流回路中典型的寄生电感

以最小的寄生电感实现更快的开关频率,便可修改其他元件。采用更高开关频率时,通常可减小变压器或电感中的磁芯尺寸,以增加系统功率密度。如果采用和更大版本相同的材料和制造方式,将降低磁性元件成本。如果仍然能满足系统需求,系统中的电容需求也可减少,但这远在意料之外。例如,可能有持续时间的要求,转而需要最小的电容。

将寄生电感减至最小值并以此根据进行设计,支持更短、更易控制的开关事件,便能从终端应用的能效看到快速开关GaN晶体管的充分优势。

GaN功率晶体管承诺支持客户推动他们的设计超越硅的极限。系统开关不再是电源转换的限制因素,必须考虑其他电路以实现更高能效而紧凑的设计。考虑电路布署和元件选择很重要,以推动系统性能超越技术现状。毕竟,GaN不是直接嵌入使用的硅的替代品。它是一种新的模型。

《电子技术设计》2016年8月刊版权所有,谢绝转载。

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