安森美半导体GaN晶体管——追求更快、更智能和更高能效
第三代半导体材料——氮化镓(gan)，作为时下新兴的半导体工艺技术，提供超越硅的多种优势。与硅器件相比，gan在电源转换效率和功率密度上实现了性能的飞跃，广泛应用于功率因数校正(pfc)、软开关dc-dc等电源系统设计，以及电源适配器、光伏逆变器或太阳能逆变器、服务器及通信电源等终端领域。为了满足市场对gan的需求，安森美半导体与transphorm联合推出第一代cascode gan，共同推动gan市场的发展。
gan的优势
从表1可见，gan具备出色的击穿能力、更高的电子密度及速度，和更高的工作温度。gan提供高电子迁移率，这意味着开关过程的反向恢复时间可忽略不计，因而表现出低损耗并提供高开关频率，而低损耗加上宽带宽器件的高结温特性，可降低散热量，高开关频率可减少滤波器和无源器件如变压器、电容、电感等的使用，最终减小系统尺寸和重量，提升功率密度，有助于设计人员实现紧凑的高能效电源方案。同为宽带宽器件，gan比sic的成本更低，更易于商业化和具备广泛采用的潜力。
表1：半导体材料关键特性一览
安森美半导体与transphorm联合推出第一代cascode gan
gan在电源应用已证明能提供优于硅基器件的重要性能优势。安森美半导体和功率转换专家transphorm就此合作，共同开发及共同推广基于gan的产品和电源系统方案，用于工业、计算机、通信、led照明及网络领域的各种高压应用。去年，两家公司已联名推出600 v gan 级联结构(cascode)晶体管ntp8g202n和ntp8g206n，两款器件的导通电阻分别为290 m?和150 m?，门极电荷均为6.2 nc，输出电容分别为36 pf和56 pf，反向恢复电荷分别为0.029 µc和0.054 µc，采用优化的to-220封装，易于根据客户现有的制板能力而集成。
基于同一导通电阻等级，第一代600 v硅基gan(gan-on-si)器件已比高压硅mosfet提供好4倍以上的门极电荷、更好的输出电荷、差不多的输出电容和好20倍以上的反向恢复电荷，并将有待继续改进，未来gan的优势将会越来越明显。
表2：第一代600 v gan-on-si hemt 与高压mosfet比较
cascode相当于由gan hemt和低压mosfet组成：gan hemt可承受高电压，过电压能力达到750 v，并提供低导通电阻，而低压mosfet提供低门极驱动和低反向恢复。hemt是高电子迁移率晶体管的英文缩写，通过二维电子气在横向传导电流下进行传导。
图1：gan内部架构及级联结构
使用600 v gan cascode的三大优势是：
1. 具有卓越的体二极管特性：级联建立在低压硅技术上，且反向恢复特别低;
2. 容易驱动：设计人员可使用像普通mosfet一样的传统门极驱动器，采用电压驱动，且驱动由低压硅mosfet的阈值电压和门极电荷决定；
3. 高可靠性：通过长期应用级测试，且符合jedec行业标准(通过标准为：0个击穿、最终的漏电流低于规格门限、导通阻抗低于规格门限)。
pfc能效测试曲线
在许多现有电路拓扑中，cascode gan比si提供更高能效。如图2所示，在连续导电模式(ccm)升压pfc拓扑中，在200 khz和120 vac输入的条件下，cascode gan较超结合si(sj si)提升近1%的效率，随着频率的升高，gan的优势更为明显。
图2：ccm 升压pfc 在200 khz 和120 vac 输入
采用gan还使得图腾柱(totem pole)电路成为可能，较传统ccm升压pfc提供更高能效。
图3：传统ccm升压fpc vs. 图腾柱电路
设计注意事项
采用gan设计电源时，为降低系统emi，需考虑几个关键因素：首先，对于cascode结构的gan，阈值非常稳定地设定在2 v，即5 v导通， 0 v关断，且提供± 18 v门极电压，因而无需特别的驱动器。其次，布板很重要，尽量以短距离、小回路为原则，以最大限度地减少元件空间，并分开驱动回路和电源回路，而且需使用解调电容。对于硬开关桥式电路，使用磁珠而不是门极电阻，不要用反向二极管，使用解调母线电容。
此外，必须使用浪涌保护器件，并通过适当的散热确保热性能，并行化可通过匹配门极驱动和电源回路阻抗完成，当以单个点连接时，要求电源和信号元件独立接地。
示例：利用gan设计12 v/20 a 一体化工作站电源
一体化工作站正变得越来越轻薄，要求更轻和更小的电源转换器，这通常通过提高开关频率来实现。传统si mosfet在高频工作下的开关和驱动损耗是一个关键制约因素。gan hemt提供较传统mosfet更低的门极电荷和导通电阻，从而实现高频条件下的更高电源转换能效。
演示板设计为240 w通用板，它输出20 a的负载电流和12 v输出电压，功率因数超过98%，满载时总谐波失真(thd)低于17%。电源转换器前端采用功率因数校正(pfc) ic，将ac转换为调节的385 v dc总线电压。升压转换器中的电感电流工作于ccm。升压pfc段采用安森美半导体的ncp1654控制器。次级是隔离的dc-dc转换器，将385 v dc总线电压转换为12 v dc输出电压。隔离的dc-dc转换通过采用llc谐振拓扑实现。次级端采用同步整流以提供更高能效。llc电源转换器采用安森美半导体的ncp1397，提供97%的满载效率，而同步整流驱动器是ncp4304。ncp432用于反馈路径以调节输出电压。演示板采用gan hemt作为pfc段和llc段原边的开关，提供0.29 m?的低导通电阻和> 100 v/ns 的高dv/dt，因而导致开关和导通损耗低，其低反向恢复电荷产生最小的反向恢复损耗。
其中，ncp1654提供可编程的过流保护、欠压检测、过压保护、软启动、ccm、平均电流模式或峰值电流模式、可编程的过功率限制、浪涌电流检测。ncp1397提供精确度为3%的可调节的最小开关频率、欠压输入、1 a/0.5 a峰值汲/源电流驱动、基于计时器的过流保护(ocp)输入具自动恢复、可调节的从100 ns至2 μs的死区时间、可调节的软启动。ncp4304的关键特性包括具可调节阈值的精密的真正次级零电流检测、自动寄生电感补偿、从电流检测输入到驱动器的关断延迟40 ns、零电流检测引脚耐受电压达200 v、可选的超快触发输入、禁用引脚、可调的最小导通时间和最小关断时间、5 a/2.5 a峰值电流汲/源驱动能力、工作电压达30 v。
经过频谱分析仪和lisn测试，该设计的emi符合en55022b标准，并通过2.2 kv共模模式和1.1 kv 差分模式的浪涌测试。输入电压为115 vac和230 vac时，系统峰值效率分别超过95%和94%。该参考设计较现有采用硅的216 w电源参考设计减小25%的尺寸，提升2%的效率。
关于此参考设计的电路原理图、布板文档、物料单、设计提示及测试流程可于http://www.onsemi.cn/powersolutions/evalboard.do?id=ncp1397gangevb下载。
总结
gan超越硅，可实现更快速开关、更紧凑的尺寸、更高功率密度及更高的电源转换能效，适用于开关电源和其它在能效及功率密度至关重要的应用。高能效的电源转换有利于软开关电路拓扑结构回收能量，如相移全桥、半桥或全桥llc、同步升压等。随着更多工程师熟悉gan器件的优势，基于gan的产品需求将快速增长。得益于技术的发展和市场的成长，将有望降低采用gan的成本。安森美半导体凭借宽广的知识产权阵容和专长，结合功率转换专家transphorm无与伦比的gan知识，正工作于新的发展前沿，致力推进市场对gan的广泛采纳。
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基于同一导通电阻等级，第一代600 v硅基gan(gan-on-si)器件已比高压硅mosfet提供好4倍以上的门极电荷、更好的输出电荷、差不多的输出电容和好20倍以上的反向恢复电荷，并将有待继续改进，未来gan的优势将会越来越明显。
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图1：gan内部架构及级联结构
使用600 v gan cascode的三大优势是：
1. 具有卓越的体二极管特性：级联建立在低压硅技术上，且反向恢复特别低;
2. 容易驱动：设计人员可使用像普通mosfet一样的传统门极驱动器，采用电压驱动，且驱动由低压硅mosfet的阈值电压和门极电荷决定；
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在许多现有电路拓扑中，cascode gan比si提供更高能效。如图2所示，在连续导电模式(ccm)升压pfc拓扑中，在200 khz和120 vac输入的条件下，cascode gan较超结合si(sj si)提升近1%的效率，随着频率的升高，gan的优势更为明显。
图2：ccm 升压pfc 在200 khz 和120 vac 输入
采用gan还使得图腾柱(totem pole)电路成为可能，较传统ccm升压pfc提供更高能效。
图3：传统ccm升压fpc vs. 图腾柱电路
设计注意事项
采用gan设计电源时，为降低系统emi，需考虑几个关键因素：首先，对于cascode结构的gan，阈值非常稳定地设定在2 v，即5 v导通， 0 v关断，且提供± 18 v门极电压，因而无需特别的驱动器。其次，布板很重要，尽量以短距离、小回路为原则，以最大限度地减少元件空间，并分开驱动回路和电源回路，而且需使用解调电容。对于硬开关桥式电路，使用磁珠而不是门极电阻，不要用反向二极管，使用解调母线电容。
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