運用 GaN 場效電晶體達到高效、更高電壓切換式電源應用的原因與方法

在社會和法規要求下，電源效率是電子系統的優先考量。尤其對電動車 (EV) 到高電壓通訊和工業基礎設施的各種應用來說，電源轉換效率和功率密度是設計成功的關鍵要素。

為了滿足這些要求，切換式電源系統的設計人員必須逐漸拋棄傳統的矽 (Si) 基金屬氧化物場效電晶體 (MOSFET) 和絕緣柵雙極電晶體 (IGBT)，因為已經逼近這兩者的理論極限。

設計人員反而要考慮基於寬能隙 (WBG) 材料的裝置，如氮化鎵 (GaN)。GaN 裝置的切換速度比矽裝置快、可處理更高的電壓和功率位準，且在指定功率位準下的體積更小，工作效率也高出許多。

本文將探討 GaN FET 的基礎知識、展示其在切換式電源電路中相對於傳統矽裝置的優勢、介紹 Nexperia 的實際範例，並且討論其應用。

GaN FET 的基礎知識

電源轉換電路中的基本元件就是高電壓半導體開關。設計人員一直專注於以下列方式提高這些裝置的效能：降低導通串聯電阻來減少導通損耗、提高轉換速度並降低寄生效應來降低切換損耗。總體來說，這些設計工作對矽基 MOSFET 和 IGBT 來說一直相當有效，但隨著這些裝置的操作逐漸達到理論極限，改進的速率也不斷減緩。

因此，過去幾年已經陸續引進採用碳化矽 (SiC) 與 GaN 的 WBG 裝置，如今已經達到量產程度。這些裝置可提供更高的工作電壓範圍、更快的切換時間和更高的效率。

半導體的能隙是激發電子，將其從束縛態釋放到自由態以導電所需的最小能量 (表 1)。

表 1：區別寬能隙半導體 (如 GaN 和 SiC) 與 Si 元件的關鍵特性摘要。(表格來源： Art Pini)

採用寬能隙半導體的裝置，比起採用 Si 等傳統半導體材料的裝置來說，能在更高的電壓、頻率和溫度下工作。更寬的能隙對於裝置在更高溫度下工作尤其重要。耐高溫意味著，在正常條件下，這些裝置能以更高的功率位準工作。具有更高臨界電場和更高遷移率的 WBG 半導體，具有最低的汲極源極導通電阻 (R_DS(ON))，進而降低導通損耗。

大多數寬能隙材料還具有高自由電子速度，因此能以更高的切換速度工作。

與能隙為 1.12 eV 的矽相比，GaN 和 SiC 屬於化合物半導體，其能隙約為三倍，分別為 3.4 eV 和 3.3 eV。這意味著兩者都可支援更高的電壓和更高的頻率。

GaN 具有更高的電子遷移率，更適合高效能、高頻應用。GaN 功率 FET 可促成更快的切換速度和更高的工作頻率，因此能增進訊號控制，促成更高截止頻率與更低漣波電流的被動濾波器設計。如此便可使用更小的電感、電容和變壓器，進而縮小整體尺寸和重量。

GaN FET 亦稱為高電子遷移率電晶體 (HEMT)。高電子遷移率是 FET 結構的作用 (圖1)。

圖 1：採用矽基板的 GaN FET 橫切面圖。(圖片來源：Nexperia)

GaN FET 利用現有的矽 CMOS 生產設施，因此符合成本效益。GaN 層會在矽基板上成形，方法是在純 GaN 層增長之前，先沉積晶種層以及 GaN 和氮化鋁鎵 (AlGaN) 的漸變層作為隔離層 (圖中未顯示)。第二個 AlGaN 層會沉積在 GaN 層頂端上。這會形成壓電極化，在 AlGaN (高導電通道) 下方立即產生過量的電子。這種過量電子稱為二維電子氣 (2DEG)。這個名字也反映出這一層具有非常高的電子遷移率。

在閘極下方會形成一個空乏區域。閘極的操作類似於 N 通道、增強模式功率矽 MOSFET。施加到此裝置閘極的正電壓會將其啟動。

此結構會重複多次，以形成功率裝置。最終就可得到一個簡單、優雅、符合成本效益的電源切換解決方案。

為了得到更高電壓的裝置，汲極和閘極極之間的距離有所增加。由於 GaN 2DEG 的電阻率非常低，提升阻斷電壓能力對電阻值的影響，比起矽裝置來說小得多。

GaN FET 的構造能以兩種配置的任一種工作：增強模式或空乏模式。增強模式 FET 通常會關斷，因此必須向閘極施加相對於汲極／源極的正電壓以啟動 FET。空乏模式 FET 通常會導通，因此必須施加相對於汲極／源極的負閘極電壓以關斷 FET。空乏模式 FET 對電源系統來說是個麻煩，因為在系統啟動之前，必須對 GaN 空乏模式 FET 施加負偏壓。

有個方法可解決此問題，就是以疊接電路的配置將低電壓矽 FET 與空乏模式 GaN FET 結合在一起 (圖 2)。

圖 2：採用空乏模式 GaN FET 的級聯配置低壓矽 MOSFET，能讓矽閘極結構達到強固性、提升 GaN 裝置的高電壓時脈特性，並且在採用空乏模式 GaN FET 時，能在啟動時就將此複合裝置關閉。(圖片來源：Nexperia)

級聯電路採用矽 MOSFET 閘極結構，其具有可媲美既有 MOSFET 閘極驅動器 IC 的更高閘極驅動限值優點，更可在啟動時將空乏模式 GaN FET 關閉。

GaN FET 的主要特點之一在於具有高效率。這是因為具有低串聯電阻，可降低導通損耗；其更快的切換時間，可降低切換損耗；具有較低的逆向恢復電荷，因此可達到較低的逆向恢復損耗。

使用通用的半橋升壓轉換器拓撲，可媲美 GaN FET 和矽 MOSFET 的效率 (圖 3)。

圖 3：此為半橋升壓轉換器的線路圖，可交換各類型的電晶體 Q1 與 Q2，藉此比較 MOSFET 與 GaN FET 的效率。(圖片來源：Nexperia)

升壓轉換器的輸入電壓為 240 V、輸出為 400 V，切換頻率為 100 kHz。會在高達 3500 W 的功率範圍內比較效率和損耗 (圖 4)。

圖 4：以相同電路比較 GaN FET 和 MOSFET 之間的效率和功率損耗差異，顯示出 GaN FET 的優勢。(圖片來源：Nexperia)

與 MOSFET 相比，GaN FET 的效率高出約 20%，功率損耗降低約三倍。在 2000 W 下，MOSFET 的損耗約為 62 W，但 GaN FET 卻只有 19 W。這意味著可使用更小的散熱系統，藉此提高升壓轉換器的容積效率。

有一點不太明顯，就是 GaN FET 的最大電壓限制較高，因此測量功率接近 3500 W。因此，GaN FET 具有明顯的優勢。

開始使用 GaN 迎接更高電壓

針對更高電壓的應用，Nexperia 提供兩款 650 V GaN FET：GAN063-650WSAQ 和 GAN041-650WSBQ。兩者都是常關的 N 通道 FET。GAN063-650WSAQ 可處理的最大汲極源極電壓為 650 V，並可承受 800 V的暫態 (脈寬小於 1 µs)。額定汲極電流為 34.5 A，在 25°C 時的功率耗散為 143 W。汲極源極導通電阻的典型值為 50 mΩ，最大限值為 60 mΩ。

GAN041-650WSBQ 具有相同的 650 V 最大汲極源極電壓額定值，以及相同的 800 V 暫態限值。不同之處在於，可處理 47.2 A 的最大汲極電流，在室溫下的最大功率耗散為 187 W。典型通道電阻值為 35 mΩ，最大值為 41 mΩ。

Nexperia 有個公版設計就採用半橋配置的 GAN063-650WSAQ，如圖 5 所示。

圖 5：採用 GAN063-650WSA GaN FET 的半橋功率級推薦設計。此線路圖僅顯示 FET 驅動器和半橋輸出級以及相關元件。(圖片來源：Nexperia)

線路圖顯示出 Si8230 高／低雙通道隔離閘極驅動器，可用於驅動 GaN FET 的閘極。閘極驅動器的輸出會透過 30 Ω 閘極電阻連接到閘極，這是所有 GaN 裝置必要的作法。閘極電容會控制閘極電容量的充電時間，因此會影響動態切換效能。FET 汲極和源極之間的 R-C 網路也有助於控制切換效能。GaN FET 的閘極驅動位準介於 0 至 10 與 12 V 之間。

GaN FET 具有高切換速度 (通常在 10 至 11 ns 範圍內)，需要仔細佈局，將寄生電感降至最低，並使用 RC 緩衝器來抑制電壓和電流暫態引起的振鈴。在高壓電源和接地之間的設計，有多個 RC 緩衝器 (R17 至 19 和 C33 至 35)。緩衝器可減少由 GaN FET 和旁路網路相互作用引起的振鈴。緩衝器連接時，應盡可能靠近高側 FET 的汲極。會採用表面黏著電阻和低有效串聯電阻 (ESR) 陶瓷電容來實作，以將引線電感降至最低。

由 R₄、D₁、C₁₂ 與 C₁₃ 組成的元件網路是高側閘極驅動器的自舉電源。D₁ 應採用快速、低電容量的二極體，因其接面電容量會導致切換損耗。R₄ 會限制湧入充電電流；使用 10 至 15 Ω 的數值就可運作良好。

結論

從電動車到通訊和工業基礎設施，無不需要更高的電源轉換效率和功率密度，因此需要拋棄傳統的矽結構。如本文所示，GaN FET 可提供更高的工作電壓、更快的切換時間和更高的效率，為新一代設計鋪路。有些公版設計案例有支援現成元件，有助於設計人員快速展開專案並操作。