硅功率MOSFET在电源转换领域的应用

　　图5b：开关频率为1.5MHz的48V至1V转换波形。

　　图5c：48V至0.5V转换波形。

　　GaN除了能增加VIN/VOUT比值范围外，还能显著降低降压转换器在任何VIN/VOUT比值时的开关损耗。比较12V至1V转换器就可以发现这种性能的显著改善，见图6。

　　图6：对三种流行的负载点转换器和采用EPC1014/EPC1015 GaN晶体管开发的转换器在VIN=12V和VOUT=1V、电流为5A和开关频率为600kHz时的功率损失比较。

　　随着新的GaN晶体管快速涵盖当前功率MOSFET和IGBT的电流和电压范围，AC/DC转换、同步整流和功率因素校正都将能实现明显的性能提高。

　　D类音频放大器

　　D类音频放大器经常面临着成本、体积和声音失真之间的折衷考虑。影响失真的最大因素是死区时间和输出滤波器的相移。

　　D类音频放大器有三种根据死区时间改变输出脉宽的独特操作模式。正向电感电流模式是基于高侧开关进行整流，反向电感电流模式是基于低侧开关进行整流，而双向电流则基于每个开关进行整流。这些模式将死区时间分别设置在上升沿、下降沿或既不是上升沿也不是下降沿的地方。死区时间长短决定了与这种现象有关的失真度。有限开关速度和体二极管前向电压将进一步增强这一效应。增强型GaN晶体管具有非常低的栅极电荷，因此具有非常短的延时和非常快的开关速度。高精度的开关允许更好地控制开关情况，进一步缩短死区时间，从而实现更低的失真。

　　输出滤波器的尺寸和反馈增益由开关频率决定。在低开关频率时，必须使用大的滤波电容和电感，以便从想要的信号中消除载波频率。大值的滤波元件不仅增加了放大器的成本和尺寸，还会造成相移，从而降低系统的稳定性，限制用于补偿许多元件失真的反馈增益，最终影响系统的保真度。采用传统硅MOSFET时开关频率非常有限，因为功耗会由于高开关损耗而迅速上升。

　　GaN晶体管能够同时提供低的RDS(ON)和低的栅极电荷(QG)，因此在数MHz范围内都能提供出色的效率。这时放大器可以使用更小值的滤波元件，从而减少它们对成本、尺寸和失真的影响，并允许更高的增益反馈，减小开关放大器对失真的影响。是以增强型GaN晶体管可以给D类应用带来明显更高的保真度和更低的成本。

　　增强型GaN晶体管易于使用吗?

　　器件是否容易使用取决于多方面因素，包括使用者技能、待开发电路的难易程度、与用户熟悉的器件相比有多大的差异以及帮助用户使用器件的工具可用性等。

　　新一代增强型GaN晶体管的行为与现有功率MOSFET非常相似，因此用户可以充分利用已有的设计经验。有两个关键领域需要特别加以关注：较低的栅极电介强度(及在有限栅极漏电流于每毫米栅极宽度毫安数量级)和较高的频率响应。这两种差异中的第一种——较低栅极电介强度将随着技术的成熟而不断提高。同时，需要采取一定的措施消除工作区的静电放电现象，并且设计电路时要保持VGS低于数据手册中的最大值(8)。第二种差异——较高频率响应不仅是指阶跃函数性能比以前任何硅器件要高，而且用户在设计电路版图时需要多加考虑。例如，少量的杂散寄生电感可能导致栅极至源极电压发生较大的过冲现象，进而有可能损坏器件。

　　另一方面，也有几种特性使得这些器件比它们的前代硅器件更加容易使用。例如，阈值电压实际上在很宽范围内独立于温度(8)，导通电阻的温度系数也比硅小得多(8,9)。

　　GaN晶体管也能够在高达300℃的温度下正常工作，但在125℃以上,PCB的焊接会影响实际应用。因此第一款商用增强型器件的工作温度最高为125℃。

　　表1从易用性的角度对硅功率MOSFET和EPC1001 GaN晶体管的基本特性作了较为完整的比较。

　　表1

　　易于使用的工具对新器件的易用性起了很大的作用。宜普公司已经开发出一整套TSPICE器件模型供用户下载使用(10)。图7显示了一个简单电路，并对实际器件性能和使用TSPICE模型仿真的结果作了比较。虽然还需要做多些使这些模型操作完善的工作，但第一代产品应提供相当可靠的电路性能预测，从而提高工程师的产能，缩短产品上市时间。

　　图7：电路图及EPC1001 TSPICE仿真结果与实际测量的电路性能的波形图比较。

　　多年来的应用手册和设计技巧汇集了工程师们的集体智慧和经验。描述于上百种使用功率MOSFET的应用, 已刊载于数千条的应用笔记。GaN用户可能要花几年时间才能理解如此大量的知识，但是因为增强型GaN晶体管和硅功率MOSFET之间的相似性，这些知识及经验将继续有效。是以指导用户使用具有非凡特性的GaN的应用笔记, 可从许多现有资料来源找到(11, 12)。

　　对用户而言是否极具成本效益?

　　基于不同技术而制成的产品, 其成本比较需要慎重进行。另外，如果供需失衡，产品价格就不能真实反映其成本。由于GaN功率晶体管市场还在发展的早期阶段，因此最有意义的信息是在硅功率MOSFET和市场上第一代增强型晶体管之间的成本比较。

　　影响产品成本的基本因素有：

　　初始材料

　　外延生长

　　晶圆制造

　　测试与装配

　　为了便于分析，影响成本的其它因素如良率、工程成本、包装和运输成本以及一般开销成本,在不同的技术下被设定为相同。

　　初始材料

　　硅基GaN器件一般在150mm基板上生产(未来产品将移植到200mm)，而这一领域中的许多制造商是在100mm至200mm的基板上生产功率MOSFET的。由于GaN器件使用标准的硅基板，因此与在相同直径的初始材料上制造功率MOSFET相比, 成本不变。事实上，在150mm和200mm硅晶圆之间, 每单位面积的成本差别是很少，因此我们可以得出的结论是GaN在每片晶圆之起始材料方面，就不存在真正的成本差异。如果考虑到具有相同电流承载能力的GaN器件面积比硅器件小，那么GaN每个功能的成本会更低。

　　外延生长

　　硅外延生长是一种成熟技术，许多公司都制造高效率和自动化的机器。MOCVD GaN设备至少有两个来源，即美国的Veeco (13)和德国的Aixtron (14)。这两家公司都制造功能强大且可靠的机器，这些机器的主要用途就是发光二极管制造中使用的GaN外延生长。没有一台机器针对硅基GaN外延优化过，也没有硅机器中常见的自动化水平。因此，硅基GaN外延要比目前的硅外延较为昂贵。