导入Cascode结构　GaN FET打造高效率开关

　　射频（RF）应用的氮化镓（GaN）电晶体已面世多年，最近业界的重点开发面向为电力电子应用的经济型高性能GaN功率电晶体。十几家半导体公司都在积极开发几种不同的方法，以实现GaN功率场效应电晶体（FET）商业化。

　　GaN HEMT模组解析

　　基本的GaN构建模组就是高电子迁移率电晶体（HEMT），它由一块基板上生长的各种GaN层构成。矽是首选基板，因为它能够以极低的成本应用到大直径晶圆中。碳化矽（SiC）或蓝宝石之类的替代基板可能更易于生长GaN层，但是这些基板的成本过高，让商业化和广泛应用变得完全不切实际。HEMT基本上是一种超高速、常开元件，像通过施加负闸偏压即可关闭的电阻。耗尽型（常开）特性对于将其应用到传统电力电子电路拓扑中来说可能是一种挑战。例如，半桥拓扑如今被广泛应用，如果耗尽型FET被用做上臂、下臂开关，那么有必要让闸极控制电路正常运行，从而再为DC汇流排加电前提供负偏压，因为如果未偏压，半桥就会短接汇流排。另一种替代方法是将非耗尽型主使能开关与半桥串联，一旦桥接电路的剩余部分可以正常运行了，即可被启动，但是这样会增加成本和传导损耗。

　　另外，还可以调整GaN HEMT设计以便将闸临界电压由负转正，进而实现常关的增强型元件。增强型GaN HEMT可在低、中压范围（高达200V）使用，很快就可以达到更高电压（600V）。然而，就当今的技术而言，由于面临闸极驱动设计挑战，所以必须平衡增强型元件的便利性、性能和稳定性，增强型GaN HEMT的临界值电压较低，而且可以完全导通的增强型VGS和绝对最大额定值的VGS通常只差1V。鉴于GaN HEMT的开关速度极快，促使从漏极耦合到闸极的C dv/dt造成闸极驱动电路很容易受到「闸极反弹」电压的影响。尽管如此，增强型GaN HEMT仍然具有诱人优势，并且将来的产品设计毫无疑问会越来越好。

　　Cascode结构拓展电压范围

　　GaN HEMT和低压（20？40V）矽FET的Cascode连接如图1所示，Cascode就像工作电压范围被GaN HEMT扩展了的低压矽FET。GaN HEMT与矽FET的漏极相连，将电压范围扩展到600V之高。因为HEMT的闸极与矽FET的源极相连，所以矽FET的VDS就成了GaN HEMT的负VGS，从而自动提供必要的负偏压以实现关断操作。该结构有助于缓解任何闸极驱动问题，因为被驱动的闸极实际上是低压矽FET。虽然仍然存在同样的高开关速度「闸极反弹」问题，但Cascode矽FET的临界值电压和最高闸值电压都比增强型HEMT高得多，进而降低这些问题对它的影响。虽然开尔文（Kelvin）源极引脚和主源极的电路节点相连，但它的电流通路不同，也不与主漏极电流共用，因此消除了「共源电感」，进而减少了寄生L di/dt引起的闸极驱动器介面问题。

　　图1 GaN HEMT和低压矽FET的cascode连接示意图

　　体二极体特性

　　Cascode GaN FET具有出色的体二极体行为。这是600V GaN Cascode开关的主要特性和优势之一：与绝缘闸双极性电晶体（IGBT）、Super-junction FET或其他矽FET相比，GaN Cascode的反向恢复电荷（Qrr）要出色得多（与SiC肖特基二极体相似）。随着温度的变化，测量的Qrr几乎是平直的，而温度升高时矽FET的Qrr会增加二至三倍。原因在于，在给定的Rds（on）下，20？40V FET的Qrr比600V FET低几个数量级。HEMT没有少数载流子，因此增加了电容，但是不会增加反向恢复电荷。因此，Cascode提供了25V矽FET的低Qrr性能，却将电压范围扩展到了600V。GaN Cascode与IGBT二极体和Super-junction FET的Qrr比，分别高约二十倍和两百倍。

　　低Qrr意义重大，因为体二极体性能通常是硬开关应用的制约因素，600V GaN Cascode的传导损耗低于IGBT，反向恢复电荷低于常与IGBT一起使用的超高速二极体。这样就能够在高得多的频率下采用半桥拓扑，从而改善传导和开关损耗，而且它的振荡和过冲也比矽的元件低。

　　即使对于LLC谐振转换器这样的软开关拓扑，GaN Cascode的死区时间也比矽Super-junction FET低，因为其总输出电荷（Qoss）比具有相同Rds（on）的FET低三倍。即使LLC拓扑是ZVS，在通道反向传导之前仍然存在着续流二极体，因此Super-junction结构的长反向恢复时间极有可能限制死区时间的降幅。

　　Super-junction Qoss的极端非线性特征，一般需要几百奈秒（ns）来充电，而且一旦充电，会瞬间出现很高的dv/dt漏极的电压。与Super-junction相比，具有相同Rds（on）的GaN级联FET的充电速度快二至三倍，dv/dt也好得多。因此，与对应的Super-junction相比，GaN Cascode能够在不增加损耗的情况下实现LLC转换器的高工作频率。

　　［@B］元件电容与电荷［@C］元件电容与电荷

　　对于硬开关拓扑，FET输出电荷Qoss每个周期都会被耗尽，所以Qoss是频率相关开关损耗的要素之一。因此，FET的普通开关损耗指标就是RDS（on）×Qoss，换句话说，就是在给定的RDS（on）下每个周期损耗了多少输出电容相关电荷。GaN Cascode开关比当今最好的Super-junction FET还好三倍