硅功率MOSFET在电源转换领域的应用

　功率MOSFET作为双极晶体管的替代品最早出现于1976年。与那些少数载流子器件相比，这些多数载流子器件速度更快、更坚固，并且具有更高的电流增益。因此开关型电源转换技术得以真正商用化。早期台式电脑的AC/DC开关电源是最早使用功率MOSFET的批量消费产品之一，随后出现了变速电机驱动、荧光灯、DC/DC转换器等数千种如今已经深入我们日常生活的其它应用。

　　国际整流器公司于1978年11月推出的IRF100是最早的功率MOSFET器件之一。这种器件具有100V的漏极-源极击穿电压和0.1Ω的导通电阻，树立了那个时代的基准。由于裸片尺寸超过40mm2，价格高达34美元，因此这种产品没有立即广泛地替代传统的双极晶体管。

　　多年来许多制造商持续推出了许多代功率MOSFET产品。30年多来，基准基本上每年都会更新。至写这篇文章时，100V基准公认为是英飞凌的IPB025N10N3G所保持。与IRF100的4Ω–mm2品质因数(FOM)相比(1)，IPB025N10N3G的FOM不到0.1Ω–mm2。这个值几乎已经达到硅器件的理论极限(2)。

　　不过改进仍在持续。例如，CoolMOS器件和IGBT的导通性能已经超过了简单垂直型多数载流子MOSFET的理论极限。这些创新在相当长一段时间内可能还会继续，并且会充分利用功率MOSFET的低成本结构和训练有素的设计师，而这些设计师经过多年实践后已经学会如何有效发掘电源转换电路和系统的性能。

　　开启GaN新时代

　　HEMT(高电迁移率晶体管)GaN晶体管最早出现于2004年左右，当时日本的Eudyna公司推出了一种耗尽型射频晶体管。通过在碳化硅基板上使用GaN，Eudyna公司成功生产出为射频市场设计的晶体管(3)。HEMT结构基于的是1975年最先由T Mimura et al (4)描述，并且在1994年再次由M. A. Khan et al (5)描述的一种现象，这种现象展示了接近AlGaN和GaN异质结构界面之间接口处异常高的电迁移率。将这种现象应用于碳化硅上生长的氮化镓，Eudyna公司成功生产出在数兆赫兹频率范围内的基准功率增益。2005年，Nitronex公司推出第一种耗尽型射频HEMT晶体管，这种晶体管利用硅基上生成的GaN(6)晶圆制造，采用的是公司自己的SIGANTIC®技术(7)。

　　随着另外几家公司参与市场，GaN射频晶体管在射频应用领域继续阔步前进。但这个市场之外的接受性非常有限，主要原因是器件成本和耗尽型操作的不方便。

　　于2009年6月，宜普公司推出了首款增强型硅基GaN功率晶体管，这种晶体管专门设计用于替代功率MOSFET。这些产品可以使用标准硅制造技术和设备低成本地大批量生产, 其结构比较简单，见图1。

　　图1：硅基GaN器件具有与横向型DMOS器件类似的非常简单结构，可以在标准CMOS代工厂制造。

　　突破屏障

　　30年的硅功率MOSFET历史告诉我们，控制突破性技术的普及率有四大关键因素：

　　1.这种技术能否支持重大的新功能?

　　2.这种技术是否容易使用?

　　3.这种技术对用户来说是否极具成本效益?

　　4.这种技术是否可靠?

　　在接下来的章节中我们将根据上述四条准则展开讨论能够替代主流硅功率MOSFET的硅基板GaN功率晶体管之现状。然后我们会进一步了解GaN的近期开发计划，并预测它们对电源转换行业的影响。

　　GaN功率晶体管支持的新功能

　　增强型GaN HEMT器件(eHEMT) 能支持的最大新功能是开关性能和整个器件带宽的突破性改善(见图2)。GaN拥有比硅高得多的关键电场，因此这种新器件的漏极至源极之间可以承受高得多的电压，而对导通电阻的负面影响却很小。

　　图2：宜普公司增强型GaN功率晶体管的增益与频率关系曲线。

　　在功率MOSFET中，在器件从导通到关断(或从关断到导通状态)所需的器件传导率和电荷数量之间需要做一个基本的权衡。从这种权衡可以推导出称为RQ乘积的品质因数。这个指标被定义为器件的导通电阻乘以在正常工作电压和电流条件下开关器件所必需的向栅极提供的总电荷量。事实表明，这一指标的改善有助于提高高频DC/DC转换器的转换效率。RQ的绝对值一般也反映了实际电路中可以实现的最小脉宽。虽然过去几年中RQ乘积得到了很大的改善，但硅功率MOSFET的品质因数仍未真正接近市场上已经推出的第一代eHEMT器件。图3对额定电压为100V和200V的基准硅器件和GaN器件作了比较。

　　图3：100V和200V的基准硅功率MOSFET和GaN的RQ乘积比较。

　　DC/DC转换器

　　能够快速开关并且没有太多功率损失意味着用户在电源转换电路中可以采用更小的脉冲宽度。需要这种能力的一种重要新兴应用是非隔离型DC/DC转换器。硅功率MOSFET的基本极限性能限制了单级非隔离型降压转换器的指标，其实际的输入电压与输出电压之比最大值只能达到10:1。除了这个比值外，降压电路顶端晶体管要求的短脉宽也将导致不可接受的高开关损耗和由此引起的低转换效率。GaN晶体管完全打破了这一性能框架，如图4和图5所示。

　　图4：不同输入电压下降压转换器效率与电流的关系。这种转换器中的顶部和底部晶体管用的都是单路100V EPC1001。对于硅器件来说，输入输出电压比超过10:1通常被认为是不可能实现的。

　　图5a：在降压拓扑中使用EPC1001晶体管实现的300kHz 48V至1V转换波形。