電源設計趨勢逐漸轉向GaN晶體管

經過大量實踐檢驗，已被證明安全可靠的硅MOSFET已經成為電源電路設計的中流砥柱，但隨著基于氮化鎵的最新功率器件技術的發(fā)展，電源設計的趨勢正逐漸轉向GaN晶體管。

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

圖1，氮化鎵開關速度快，可以大幅度提升效率

氮化鎵器件

GaN功率器件到現在已經發(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，藍寶石（sapphire）或碳化硅(SiC)襯底。主要應用是用于高頻的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頻率范圍內產生數百瓦的功率。

圖2，氮化鎵器件商用化到現在已經快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-半導體結場效應晶體管的一種形式，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“增強型”FETs的溝道是自然“關閉”的（即“常關”），常開型HEMT FETs需要關鍵的偏置網絡才能正常運行。

圖3 主要應用與分布式結構的通信高端領域，如無線基站和交換機設備、路由器、數據中心產品。對電壓精度、效率、動態(tài)響應、排序、控制及端口協議都有嚴格的要求。

基于失效安全和設計簡單的要求，功率器件最終還是要發(fā)展出增強型（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、高擊穿電壓和高溫工作等優(yōu)勢。盡管到目前為止，增強型GaN器件比硅MOSFETs昂貴，但它們更適合電源設計，并提供了一個可以獲得更高性能和效率的設計路徑。

圖4 氮化鎵常關型器件是氮化鎵功率器件的發(fā)展趨勢

高壓設計案例

開關電源（SMPS）設計是提高能量轉換效率和節(jié)約能源的答案。大多數新設計采用SMPS技術，包括穩(wěn)壓器、DC-DC轉換器、點負載轉換器和逆變器。然而，即使是SMPS設計也是可以進一步改進的。

我們都知道，每一個功率變換階段，效率都會下降。將高電壓轉換為較低的直流電，用于通常需要多個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行轉換，則可以減少電壓轉換的次數，從而提高整個系統(tǒng)的轉換效率。GaN器件則提供了這種可能性。

數據中心電力系統(tǒng)就是一個例子。數據中心包含許多高功率的服務器，這些服務器通常需要大電流和低電壓。我們都知道，維持數據中心工作的電費是非常高昂的，再加上冷卻這些高負荷運作的服務器所需要的電力，整個的能耗是非常之高。所以，在電能變換路徑上的任何關于節(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撲以及更少的變換模塊來提高功率轉換效率。

如圖5(a)中所示，功率因素校正(PFC)模塊是電氣設備所必須的。這通常是一個直流輸出為380V的升壓變換器。隨后傳遞給一個Inductor-Inductor-Capacitor(LLC)模塊,提供36-60 V的直流輸出。隨后進一步由DC-DC轉換器降壓，然后再通過POL變換模塊將電壓轉換到1-1.8V，用于處理器、內存和FPGAs的供能。上述的每一個變換“關口”都對系統(tǒng)效率征收了一筆“關稅”,使得效率大大降低。

如圖5(b)所示的電路拓撲是降低上述“關稅”的解決方案。在PFC階段，可以替換擁有高耐壓高開關速度的GaN器件。氮化鎵器件更高的開關頻率，意味著整個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，使得開關頻率提高到1MHz以上，來輸出 36到60V。用于POL模塊的一個電壓典型值是48V，這一個階段也可以使用GaN器件。上述的整個設計，不但可以是的整個系統(tǒng)更小，同時更高效。

另一個應用是太陽能逆變器。太陽能電池板通常會驅動一個DC-DC升壓變換器。反過來，該DC-DC轉換器會驅動DC-AC逆變器，該逆變器可以供應適用于負載和電網需求的120/240V AC 60Hz交流電。一些太陽能系統(tǒng)可能包括電池存儲模塊。在上述的存儲和轉換這兩個模塊，都可以使用GaN器件，讓其工作在超過100 kHz的開關頻率下，可以大大提高整個系統(tǒng)的效率。

除了DC-DC轉換器、POL轉換器和逆變器之外，其他基于GaN器件的應用還包括電機驅動和D類大功率音頻放大器。