探索寬帶隙WBG半導體的基礎(chǔ)知識和應(yīng)用

GaN是氮化鎵的化學名稱縮寫，屬于第三代半導體，通常被稱為「寬帶隙」半導體（WBG），因為它需要相對較高的能量(與Si相比) 才能將原子的電子從價帶(如絕緣體)擊至導帶(如導體)。本文將探索這種「寬帶隙」（WBG）半導體的基礎(chǔ)知識和應(yīng)用。

若涉及到電子控制開關(guān)時，您需要一種材料在關(guān)閉時具有高擊穿電場（例如阻斷電壓），開啟時導電通道具有極低電阻，這就是為什么WBG材料能夠成為出色的半導體器件。您可能聽說過其他WBG半導體如碳化硅(SiC)、砷化鎵(GaAs) 或氮化鋁(AlN)。

圖 1 –寬帶隙材料與硅的性能指標基準雷達圖

GaN還有一些有趣的特性，讓它在各方面更具吸引力。它的電子遷移率和熔點分別實現(xiàn)了高電流通道和更高的溫度（或在相同或更低的溫度下提高可靠性）。

制成晶體管時與硅基金屬氧化物半導體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)相比，該器件具有更低的柵極電荷和等效通態(tài)溝道電阻(RDS_ON)。

雖然GaN的開關(guān)類型很多，但我們將重點放在有高電子遷移率的GaN晶體管（以 HEMT 為例，其結(jié)構(gòu)如圖 2 所示）。柵極激活后，電流非常快地通過GaN淺層，亦稱為二維電子氣（2DEG），如圖中的虛線所示。

圖 2 – 硅基氮化鎵（GaN-on-Si）橫向晶體管之橫截面

雖然GaN 在發(fā)光二極管(LED) 和 RF應(yīng)用中已有數(shù)十年，但在開關(guān)應(yīng)用中使用是十年前左右才開始的，例如在開關(guān)電源和開關(guān)逆變器已變得越來越常見。

上述吸引人的特性使采用 GaN 開關(guān)設(shè)計的電源能夠解決許多尺寸、重量和功率因數(shù)（也稱為 SWaP 因數(shù)）的問題，而這往往是幾乎所有電源解決方案的關(guān)鍵驅(qū)動因素。

較低的 RDS_ON 和柵極轉(zhuǎn)換時間有助于分別降低傳導損耗和開關(guān)損耗，從而提高電源系統(tǒng)的整體效率。這些特性還提供了額外的特性，也就是能夠以較低的占空比 (D) 控制開關(guān)以實現(xiàn)更高的直接轉(zhuǎn)換比，而這對MOSFET 來說是不切實際的（例如，直接轉(zhuǎn)換 48V 到 1V）。

當速度過快時

WBG開關(guān)速度可以很快，而且是真的很快。其實它們與我們在教科書中首次了解的那種理想開關(guān)非常接近，例如零轉(zhuǎn)換時間。

轉(zhuǎn)換能那么快是因為 GaN 等材料有極低的柵極電荷和極高的電子遷移率。即使在一些相當高功率的應(yīng)用中，開啟和關(guān)閉轉(zhuǎn)換也可以在納秒之內(nèi)發(fā)生（1 ns = 10-9 秒）。

轉(zhuǎn)換速度如此之快，以至于大多數(shù)試圖在電路板上測量轉(zhuǎn)換速率的工程師可能甚至沒有合適帶寬(BW)的示波器可用來充分捕獲這個信號。

如果需要正確地測量和表征一個具有納秒級躍遷的信號，那么范圍BW需要在GHz范圍內(nèi)。這類示波器通常非常昂貴，而且專門用于高速數(shù)據(jù)分析而不是功率級的分析。

圖 3 – EPC2100 開關(guān)節(jié)點波形，VIN = 12 V 至 VOUT = 1.2 V、IOUT = 25 A、1 MHz，顯示上升/下降時間

極快的開關(guān)節(jié)點躍遷率的負面影響是電磁干擾(EMI)和過沖/振蕩事件的增加，這兩種情況都是由于不必要的能量轉(zhuǎn)儲，或更具體地說，高能躍遷電流不適當?shù)亓飨虻孛妫M入寄生電感或等效串聯(lián)電感(ESL)。

由于本文的討論范圍有限，我們只能稍微觸碰到這些議題，但人們應(yīng)該尋找更多的資料并以嚴謹?shù)膽B(tài)度深入研究這些議題。

我們要非常清楚地指出，在幾乎所有可比較的應(yīng)用中（在本討論的范圍內(nèi)我們至少應(yīng)該限于非 RF 開關(guān)電源應(yīng)用），WBG組件無法直接取代同時代的 Si。

與 Si FET 相比，GaN HEMT 大幅降低開關(guān)能量和高電子遷移率可以實現(xiàn)納秒范圍內(nèi)的躍遷，但是這些極端的電流躍遷會從以前的良性寄生環(huán)路電感到現(xiàn)在導致災(zāi)難性的電壓過沖，如下方計算所示。

方程1 - 顯示過沖電壓、寄生電感和電流變化率之間的關(guān)系。

對Si 設(shè)計的電流轉(zhuǎn)換速率 (di/dt)來說僅幾個納亨的寄生電感可能可以忽略不計，但對 GaN 設(shè)計卻是災(zāi)難性的。

圖 4 –升壓 dc/dc 拓撲的電流（紅色/黃色/綠色）及寄生電感

上面的方程式精確地描述如此小的 ESL，即使只來自于組件封裝，是如何對您的設(shè)計產(chǎn)生災(zāi)難性的影響，這甚至是在人們花大量時間和精力來設(shè)計出一個非常干凈且緊湊的布局以盡可能地包含這些電流之前。

不過請不要誤會，恰當?shù)牟季旨夹g(shù)和GaN 電路的最佳實踐是您對抗 EMI 和預(yù)防轉(zhuǎn)換器嚴重故障的最佳方法（不受控制的振蕩會導致電氣過應(yīng)力或EOS 而最終自毀）。

圖 5 –以通用組件封裝和特性計算寄生電感引起的電壓過沖

柵極驅(qū)動的挑戰(zhàn)

WBG柵極閾值電壓 (Vth) 往往低于對應(yīng)的 Si 并且具有更低的絕對最高電壓水平，因此若要在柵極驅(qū)動上發(fā)揮GaN 的潛力、穩(wěn)健地設(shè)計和實施此類解決方案的話將經(jīng)過相當艱難的學習過程。

市場上有各種各樣的解決方案來應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，從集成柵極驅(qū)動器（甚至全功率級）到完全合格的電源模塊。

由于高轉(zhuǎn)換率 (dV/dt) 作用在開關(guān)的柵源電容（又名為米勒電容或 CGS），柵源電容可以向柵漏電容 (CGD) 施加電位而觸發(fā)不必要的導通而有擊穿或誤導通的風險，因此必須更加注意柵極驅(qū)動電路。

如果是在同步設(shè)備導通的情況下發(fā)生這種情況，就有可能發(fā)生擊穿（也稱為交叉?zhèn)鲗В?。最好的情況是降低有效效率，而最壞的情況則是導致 DC/DC 轉(zhuǎn)換器故障。

不同種類的 GaN 可能具有不同的柵極驅(qū)動要求，這可能是使用 GaN 組件進行設(shè)計時面臨的最大挑戰(zhàn)之一。有些可以直接驅(qū)動并且是常關(guān)器件，有些使用所謂的共源共柵配置，其中使用增強型（常閉型）MOSFET來驅(qū)動GaN 器件的耗盡型（常開型）柵極。有些可能需要負或偏置柵極驅(qū)動電壓。因此，即使是由自己設(shè)計 DC/DC 解決方案，獲得合格的 GaN 驅(qū)動器是非常有利的。

豐富的資源

外面有大量資源可以用來學習如何獲取和實施 GaN 解決方案，有些資源已在前文提供。如果您不熟悉 WBG 和 GaN 解決方案，請充分利用它們來協(xié)助您學習。您需要經(jīng)過好幾代的設(shè)計和測試才能真正做出穩(wěn)健的 GaN 設(shè)計，尤其如果您是剛接觸該領(lǐng)域的工程師。

最后再一次提醒，GaN 不是 Si 的直接替代品，因此不應(yīng)朝這個方向研究！早期人們在研究如何在電源中使用 GaN 時就已學到了教訓甚至讓他們質(zhì)疑WBG的可行性，因為當時沒有重視謹慎布局實踐和穩(wěn)健柵極驅(qū)動設(shè)計的重要性。

審核編輯：劉清