功率變革：將GaN集成到SMPS中

（本文編譯自Electronic Design）

硅是電子領(lǐng)域極具價(jià)值的材料。生長(zhǎng)高純度體硅，并通過摻雜實(shí)現(xiàn)p型與n型半導(dǎo)體特性的能力，是電力電子行業(yè)發(fā)展的巨大推動(dòng)力，催生出低成本、高性能的開關(guān)器件。如今，幾乎所有帶電池或電源插頭的設(shè)備中，都能見到這類器件的身影。

因此，設(shè)計(jì)人員在硅基電路設(shè)計(jì)方面積累了極其豐富的經(jīng)驗(yàn)。長(zhǎng)期以來，這種對(duì)硅材料的熟悉度，助力行業(yè)不斷突破硅基技術(shù)的極限。

然而，盡管硅在各類應(yīng)用中表現(xiàn)出色，但其特定的材料特性在速度、功率密度和溫度范圍上形成了限制，而這三個(gè)參數(shù)，對(duì)最新的開關(guān)模式電源（SMPS）而言至關(guān)重要。而行業(yè)對(duì)于替代技術(shù)的迫切需求，讓碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）逐漸成為被關(guān)注的焦點(diǎn)。

SiC在電子領(lǐng)域的應(yīng)用歷史十分悠久，早期它主要被用于發(fā)光二極管（LED）。近年來，憑借其耐高溫、耐高壓的特性，SiC開始作為電源中的功率級(jí)組件使用，目前市場(chǎng)上已出現(xiàn)耐壓值遠(yuǎn)超1000伏的開關(guān)器件與二極管。

在電力應(yīng)用中，另一項(xiàng)可替代或增強(qiáng)硅基電路的技術(shù)便是GaN。GaN已廣泛應(yīng)用于消費(fèi)級(jí)快充器和電源適配器，如今其在電動(dòng)汽車（EV）車載充電器（OBC）、直流 - 直流（DC-DC）轉(zhuǎn)換器等領(lǐng)域的重要性也日益提升，這些場(chǎng)景需要安全、穩(wěn)定地處理數(shù)千瓦的瞬時(shí)功率。此外，GaN還有潛力緩解數(shù)據(jù)中心中人工智能（AI）帶來的部分功率挑戰(zhàn)，未來有望融入服務(wù)器機(jī)架的電源供應(yīng)單元（PSU）中。

如今，GaN在這類開關(guān)模式電源中的應(yīng)用越來越廣泛。對(duì)于有意采用這項(xiàng)相對(duì)較新的技術(shù)的電路設(shè)計(jì)人員而言，不僅需要理解其優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)，更需積累更多實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

GaN的功率處理特性

2012年，GaN首次作為功率開關(guān)器件應(yīng)用于開關(guān)模式電源（SMPS），替代硅FET。這些原型pGaN HEMT，展現(xiàn)出比標(biāo)準(zhǔn)硅FET器件更高的功率轉(zhuǎn)換效率。

GaN功率技術(shù)過去面臨的主要難題——如今依然存在——是降低成本。生長(zhǎng)大尺寸單晶以制造可承載大量GaN功率器件的大尺寸、高質(zhì)量晶圓，至今仍是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。

不過，攻克這些挑戰(zhàn)的努力是值得的。在功率轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，GaN相比硅擁有一系列顯著優(yōu)勢(shì)。GaN功率器件的核心優(yōu)勢(shì)在于：在給定電流和電壓額定值下，其漏極電容和柵極電容更低。此外，GaN開關(guān)的物理尺寸小于硅器件，能夠?qū)崿F(xiàn)更緊湊的解決方案。

GaN的材料特性使其具備高擊穿電壓，這在工作電壓為100伏及以上的應(yīng)用中極具價(jià)值。而在100伏以下的場(chǎng)景中，GaN的功率密度與快速開關(guān)能力同樣能帶來優(yōu)勢(shì)，例如在設(shè)計(jì)各類電源時(shí)，可實(shí)現(xiàn)更高的功率轉(zhuǎn)換效率。

GaN屬于寬帶隙（WBG）半導(dǎo)體，其帶隙電壓為3.4電子伏特（eV），而硅的帶隙電壓僅為1.1電eV。不過，在電源設(shè)計(jì)中，不同性能參數(shù)的重要性有所差異。一個(gè)典型的應(yīng)用場(chǎng)景是400伏中間總線應(yīng)用，例如在240伏交流（AC）功率轉(zhuǎn)換器中，需使用擊穿電壓為650伏、漏源極電流約30安的FET。在此類系統(tǒng)中，若使用硅FET，所需柵極電荷為93納庫侖（nC）；而使用GaN FET時(shí)，柵極電荷僅需9納庫侖（nC）。采用這類GaN開關(guān)的應(yīng)用，其工作功率水平通常在1kW至8kW之間。

使用柵極電容較小的GaN器件，可大幅縮短開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)間并降低開關(guān)損耗。最終，這將提升功率轉(zhuǎn)換效率，尤其在開關(guān)頻率較高、磁性元件尺寸較小的應(yīng)用中，效果更為顯著。

在SMPS中使用GaN的獨(dú)特挑戰(zhàn)

用GaN功率器件替代硅MOSFET時(shí)，會(huì)面臨若干挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)主要涉及柵極驅(qū)動(dòng)要求、開關(guān)過程中電壓的快速變化，以及死區(qū)時(shí)間內(nèi)的高導(dǎo)通損耗。

首先，GaN開關(guān)的柵極電壓額定值通常低于硅FET。大多數(shù)GaN器件制造商建議的典型柵極驅(qū)動(dòng)電壓為5V。與此同時(shí)，GaN器件的絕對(duì)最大額定柵極電壓常為6V，這意味著推薦柵極驅(qū)動(dòng)電壓與臨界閾值（超過該閾值會(huì)損壞器件）之間的余量非常小。這一限制，再加上GaN器件柵極電荷極小的特點(diǎn)，要求驅(qū)動(dòng)級(jí)必須嚴(yán)格限制最大柵極驅(qū)動(dòng)電壓，以防損壞GaN器件。

其次，必須應(yīng)對(duì)電源開關(guān)節(jié)點(diǎn)處電壓的快速變化（也稱為du/dt）。這些瞬態(tài)電壓可能導(dǎo)致下橋臂開關(guān)誤導(dǎo)通。GaN器件的柵極尺寸相對(duì)較小，因此，周邊區(qū)域（如開關(guān)節(jié)點(diǎn)）的任何快速電壓變化，都可能通過電容耦合到GaN開關(guān)的小尺寸柵極上，使其誤開啟。要更好地控制導(dǎo)通與關(guān)斷曲線，需要單獨(dú)的上拉引腳和下拉引腳，以及精心設(shè)計(jì)的PCB布局。

最后，GaN FET在死區(qū)時(shí)間內(nèi)會(huì)產(chǎn)生更高的導(dǎo)通損耗。死區(qū)時(shí)間指的是橋臂結(jié)構(gòu)中高、下橋臂開關(guān)均處于關(guān)斷狀態(tài)的時(shí)間段。設(shè)置死區(qū)時(shí)間是為了防止高側(cè)電壓軌與地之間發(fā)生短路。在死區(qū)時(shí)間內(nèi)，下橋臂開關(guān)的體二極管通常會(huì)有電流流過，而這正是導(dǎo)通損耗產(chǎn)生的原因。

解決該問題的一種方法是嚴(yán)格縮短死區(qū)時(shí)間，但在此過程中，必須避免高、下橋臂開關(guān)出現(xiàn)導(dǎo)通重疊時(shí)間，否則會(huì)導(dǎo)致對(duì)地短路。

此外，值得一提的是，GaN具有更寬的轉(zhuǎn)換范圍。其更快的電壓上升時(shí)間和下降時(shí)間，能實(shí)現(xiàn)比硅MOSFET更小的占空比。

從硅MOSFET到GaN功率器件的過渡

多年來，硅一直是功率轉(zhuǎn)換行業(yè)的核心支柱。如今，電源設(shè)計(jì)人員已可選用GaN開關(guān)器件，隨之而來的問題是：“GaN器件能否直接替換硅MOSFET，還是需要圍繞其重新設(shè)計(jì)功率級(jí)？”

與硅MOSFET不同，GaN開關(guān)沒有體二極管，它通過另一種機(jī)制實(shí)現(xiàn)類似功能。GaN器件的導(dǎo)通僅涉及多數(shù)載流子，因此反向恢復(fù)電荷（Qrr）為零。但與硅MOSFET不同，GaN FET不存在體二極管的正向電壓，這會(huì)導(dǎo)致GaN FET兩端的電壓可能變得非常高。因此，其在死區(qū)時(shí)間內(nèi)的功率損耗會(huì)顯著增加。這就是為何與使用硅開關(guān)相比，使用GaN開關(guān)時(shí)縮短死區(qū)時(shí)間至關(guān)重要的原因。

在SMPS的死區(qū)時(shí)間內(nèi)，功率設(shè)計(jì)會(huì)大量依賴硅MOSFET的體二極管。在降壓調(diào)節(jié)器的下橋臂開關(guān)中，電流通過體二極管流動(dòng)，為電感器所需的連續(xù)電流提供通路。若下橋臂開關(guān)沒有體二極管，死區(qū)時(shí)間內(nèi)的每一瞬間都會(huì)導(dǎo)致降壓調(diào)節(jié)器的開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓降至負(fù)無窮。顯然，在電壓達(dá)到負(fù)無窮之前，電路就會(huì)因電壓超出開關(guān)的額定值而損耗能量，最終損壞。

當(dāng)使用GaN開關(guān)時(shí)，若源極與柵極處于相同電位，且存在電感器這類連續(xù)電流源，GaN FET會(huì)出現(xiàn)反向?qū)ā?/p>

由于GaN開關(guān)不包含PN結(jié)體二極管，下橋臂開關(guān)需在其周圍設(shè)置一條備用電流通路，以確保死區(qū)時(shí)間內(nèi)有電流流動(dòng)。

反向?qū)〞r(shí)，受GaN功率FET對(duì)稱性的影響，漏極與源極的極性會(huì)反轉(zhuǎn)。柵極保持接地電位，但開關(guān)節(jié)點(diǎn)會(huì)自偏置至GaN FET的最小導(dǎo)通閾值電壓。這一低電壓是GaN FET導(dǎo)通所需的最小閾值（通常為地電位-2V至地電位-3V）。由于柵源電壓（VGS）未處于優(yōu)化狀態(tài)，反向?qū)〞r(shí)的導(dǎo)通電阻（RON）會(huì)增大。而外部肖特基二極管則提供了一條備用通路，可避免GaN FET進(jìn)入反向?qū)顟B(tài)。

使用GaN開關(guān)時(shí)，電路需做的第二項(xiàng)修改是在二極管上串聯(lián)一個(gè)電阻。該電阻用于從內(nèi)部電源電壓（INTVCC）為電路的上橋臂驅(qū)動(dòng)器提供電壓，同時(shí)也可能用于限制上橋臂驅(qū)動(dòng)器的峰值電流。

最后，可能需要齊納二極管來防止上橋臂驅(qū)動(dòng)器電源電壓出現(xiàn)過高的電壓尖峰。

如何為GaN選擇開關(guān)控制器與柵極驅(qū)動(dòng)IC

要規(guī)避SMPS中GaN基功率級(jí)保護(hù)功能的嚴(yán)苛評(píng)估流程，一種方法是采用專為GaN設(shè)計(jì)的電源控制器IC。選擇專用控制器能讓GaN電源設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)便、更可靠。此類控制器已針對(duì)性解決了前文提及的所有挑戰(zhàn)。

這類開關(guān)控制器還具備靈活性，能夠適配當(dāng)前市場(chǎng)上不同類型的GaN開關(guān)。GaN功率技術(shù)的研發(fā)與創(chuàng)新之路仍在延續(xù)，未來的GaN開關(guān)雖會(huì)帶來更出色的性能，但與目前已廣泛應(yīng)用的GaN開關(guān)相比，其使用方式可能需要略作調(diào)整。

盡管GaN技術(shù)在制造FET器件并將其應(yīng)用于先進(jìn)功率級(jí)方面表現(xiàn)出色，但GaN未必適用于SMPS的控制電路，其成本效益也不足以支撐這一應(yīng)用。因此，在可預(yù)見的未來，我們將看到一種混合方案。

控制器將以硅為基礎(chǔ)，配備高度優(yōu)化的控制與驅(qū)動(dòng)電路，用于驅(qū)動(dòng)高功率GaN開關(guān)。這種方案目前在技術(shù)上已可行，且成本具有競(jìng)爭(zhēng)力。但它需要在單個(gè)電路中使用多個(gè)芯片，具體有兩種實(shí)現(xiàn)方式：一是將GaN開關(guān)單獨(dú)設(shè)置；二是在完全集成的功率轉(zhuǎn)換器IC或微模塊（μModule）電源解決方案中集成多個(gè)芯片，這類微模塊電源還會(huì)整合包括電感器在內(nèi)的多個(gè)無源元件。

如前所述，生長(zhǎng)大尺寸、高質(zhì)量的GaN晶圓仍是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。自2010年前后起，GaN制造領(lǐng)域的主流選擇是“硅基HEMT”，原因在于這種方案能實(shí)現(xiàn)更大的晶圓直徑，且可利用現(xiàn)有的硅加工基礎(chǔ)設(shè)施，降低成本。

該方案早期面臨的技術(shù)難題已得到解決，但仍需數(shù)年時(shí)間進(jìn)行進(jìn)一步研發(fā)。與硅和SiC采用體單晶生長(zhǎng)不同，GaN器件是通過在硅晶圓上進(jìn)行GaN外延生長(zhǎng)制成的。而“金剛石基GaN”技術(shù)，是未來制造GaN開關(guān)的一種潛在方案。

GaN功率技術(shù)的未來展望

如今，GaN的發(fā)展已達(dá)到成熟階段，可用于設(shè)計(jì)多款SMPS。但隨著每一代新型GaN開關(guān)的推出，該技術(shù)仍將持續(xù)迭代升級(jí)。

目前，GaN技術(shù)正朝著更廣泛應(yīng)用的方向穩(wěn)步推進(jìn)。盡管如今的GaN開關(guān)本身已具備較高的穩(wěn)定性，但顯然，要讓工程師們?nèi)嬲J(rèn)可其可靠性，仍需更多時(shí)間與研發(fā)投入。同時(shí)，GaN開關(guān)的制造工藝也將進(jìn)一步優(yōu)化，良率提升與缺陷密度降低將推動(dòng)其成本下降、可靠性提高。

未來，預(yù)計(jì)會(huì)涌現(xiàn)更多專用GaN驅(qū)動(dòng)器件以及開關(guān)控制器，這些器件將簡(jiǎn)化GaN基SMPS的實(shí)現(xiàn)過程。

當(dāng)前，GaN器件最常見的電壓額定值為100V和650V，這也是首批GaN電源的工作電壓集中在該范圍的原因。但GaN具有的獨(dú)特特性,尤其是其極小的柵極電荷，使其同樣可向低壓領(lǐng)域拓展應(yīng)用。

未來，我們還將看到GaN應(yīng)用于最高電壓低至40V的電源中；而在高壓端，GaN開關(guān)的電壓等級(jí)或可提升至1000V。在此類高壓場(chǎng)景下，GaN的快速開關(guān)特性將成為其核心競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

用于拓展電源工作范圍與功率密度的半導(dǎo)體材料將持續(xù)發(fā)展。硅是這一切的起點(diǎn)，如今仍是電力電子行業(yè)的核心；但在未來10至15年內(nèi)，GaN將扮演愈發(fā)重要的角色。從電動(dòng)汽車（EV）到人工智能（AI）數(shù)據(jù)中心，所有領(lǐng)域都對(duì)功率、密度、穩(wěn)定性與效率提出了更高要求，而GaN為滿足這些創(chuàng)新需求提供了更多可能性。