GaN在电力电子中的优势

日期:2018-07-02

降低成本、尺寸和重量,同时提高效率和可靠性
 
作者:Peter Di Maso产品线管理总监,GaN Systems
追求更高效率一直是工业进步的驱动因素,因为必须使用电力。固态晶体管在开关应用中的引入使得开关功率转换器能够产生功率转换效率的阶跃函数。在功率电子应用中,开关功率晶体管的进步有助于提高效率和可靠性,并减小尺寸和成本。宽带隙半导体,特别是GaN(氮化镓)功率晶体管,是目前更高效率的主要驱动力。
受益于GaN E-HEMT(增强型高电子迁移率晶体管)的市场和应用得到了全面推进。数据中心、工业自动化、无线电力传输和充电,以及可再生能源和运输应用已经受益于使用GaN,特别是相比基于硅的系统1/4的功率损失、1/4大小/重量和较低的系统预算。在我们讨论GaN E-HEMT如何为这些市场的关键应用增加价值的同时,我们来回顾一下GaN E-HEMT的工作原理。
GaN简介:MOSFET的异同
GaN E-HEMT在概念上类似于硅MOSFET。GaN E-HEMT是具有栅极、漏极和源极节点的三端器件。类似于MOSFET,E-HEMT上的栅极和源极之间的正电压实现漏极和源极端子之间的高电子迁移率路径(见图1)。当栅极保持在或低于源电势时,高电子迁移率路径被中断,并且在漏极和源极之间没有电流流动。这仅针对增强模式器件。这里不考虑使用典型共源共栅配置的耗尽型器件的GaN功率晶体管。GaN晶体管的共源共栅,基本上是多芯片模块实现的复杂性限制了这种类型产品的市场接受度。
 

图1:类似于MOSFET,在E-HEMT上的栅极和源极之间的正电压使得漏极和源极端子之间具有高电子迁移率路径。
 
额定电压,通常为650伏或100伏,是最小电压晶体管,将阻止或关断。硅MOSFET的重复雪崩特性在GaN E-HEMT中不容易表征,但是GaN-E-HEMT的特征击穿电压表明它们对瞬态电压具有弹性。
虽然有许多相似之处,但在GaN E-HEMT和MOSFET之间存在一些关键差异。硅MOSFET是垂直器件,这意味着漏极到源极电流从硅芯片的顶部(源)通过MOSFET沟道流向底部的漏极衬底。另一方面,GaN E-HEMT是横向器件,因此漏极-源极电流流过器件顶部的漏极端子,通过高迁移率通道到达也在器件顶部的源极端子。
GaN功率晶体管是通过在硅衬底上生长GaN和AlGaN(铝GaN)层而制造的,与大批量中使用的标准Si MOSFET相同。GaN和AlGaN之间的异质界面形成二维电子气(2DEG),并且是高迁移率通道的基础。形成的2DEG具有非常高的电荷密度和迁移率,这导致非常低的漏源电阻、RDS(on)和非常高速的器件。2DEG是GaN AlGaN界面的固有特性,因此器件的栅极必须提供中断通道,以便在功率转换器应用中使用。这通过创建一个P型GaN界面来完成,它耗尽了栅极下面的2DEG通道。这产生正常关闭的E型晶体管,用正向栅极偏压控制2DEG。
 
开关特性
GaN E-HEMT结构在没有体二极管或寄生双极结型晶体管的Si MOSFET上具有附加的特性。在开关电源应用中的好处是没有反向恢复体二极管损耗,并具有电压转换率坚固性,这是传统硅MOSFET的弱点。
GaN E-EHEMT的开关损耗分析又类似于MOSFET的分析。主要的开关损耗机制是由器件电容和栅极电荷值来设定的。由于栅极电荷和节点电容的值比MOSFET小得多,所以GaN E-HEMT损耗显著降低了。GaN的输入、输出和反向电容提供低损耗的开启和快速转换,从而在开启期间不损失dv/dt(Miller平坦区)周期。有效GaN E-HEMT与MOSFET相似,具有更快、更有效的开关和降低的传导损耗。
 
封装与布局
随着快速的转换速度、高频率的能力和高电流容量,是有效使用GaN功率晶体管的特性。高功率半导体的传统塑料封装,如TO-247和TO-220体积庞大,在晶体管芯片上增加了显著的电阻和电感。较小的晶体管封装,如TO-263或DFN封装有助于降低外部晶体管阻抗,但由于尺寸和引线框架要求,有效地限制了低功率应用。为了获得尽可能好的性能,GaN E-HEMT封装需要极低的电感、小尺寸、到管芯连接的低电感引脚、低热阻RθJC。GaN系统使用GANPX®封装材料,一种类似于FR4的高温环氧基PCB材料,具有更高的温度等级。这种嵌入式封装技术允许与盘铜柱、通孔和无引线键合的电连接,尽量减少电阻和电感。与衬底的热连接还利用了铜连接,在晶体管衬底和GANPX®热垫之间形成非常低的热阻(见图2)。低电感、低热阻、小尺寸封装还通过实现GaN E-HEMT的低阻抗外部连接来提高系统性能。较低的整体电感和电阻可适应高摆率,并保持lo VDS过冲和较低的电磁干扰。
 

图2:与衬底的热连接还利用铜连接在晶体管衬底和GANPX®热垫之间形成非常低的热阻。
用新的和增强的拓扑结构改进了系统性能
功率因数校正(PFC)电路传统上是用前端桥式整流器建立的,以将交流电源转换成直流电源,并迫使电流跟随AC线电压。通过实现无桥图腾柱电路(BTP)来消除前端整流器损耗是可能的(见图3)。BTP PFC拓扑使用开关晶体管,并获得比桥式整流器低得多的损耗。在GaN功率晶体管之前,硅MOSFET是BTP配置的唯一选择。用MOSFET实现BTP只看到轻微的改善,因为升压电路的高侧同步MOSFET反向升压损耗几乎消除了去除桥式整流器的增益。由于没有寄生体二极管和GaN E-HEMT的反向导通能力,消除了BTP PFC中的反向恢复损耗,实现了拓扑的真正价值。效率从97.5%提高到99%。对于需要PFC的应用,实现了较低的损耗、更高的频率和减少的元件数,实现了更小、更便宜、更凉爽、更可靠的前端PFC。
 

图3:通过实现无桥图腾柱电路(BTP)来消除前端整流器损耗是可能的。
 
隔离DC-DC转换器最流行的拓扑是实现零电压开关(ZVS)的LLC半桥。它被广泛应用在从75 W到750 W的功率水平,因为它通过谐振开关和优雅的磁性设计实现高效率。这种拓扑在过去二十年中被广泛使用,使用标准的硅MOSFET技术。GaN功率晶体管具有非常低的输出电容(COSS)和高开关频率能力,进一步提高了值LLC。在LLC转换器中需要足够的死区时间来实现ZVS并获得拓扑的好处。死区时间是转换器变压器的磁化电感值、开关晶体管的COSS和开关频率的函数,如等式1所示:
 

方程1:死区时间是转换器变压器的磁化电感值、开关晶体管的COSS和开关频率的函数。
 
与硅晶体管相比,GaN E-HEMT显著更小的COSS允许较大的磁化电感,这等同于更低的变压器损耗。这也降低了通过半桥功率开关的rms电流,从而减少传导损耗。较小的COSS还允许更高的开关频率、更小的谐振回路,因此提供更高的功率密度。与Si MOSFET相比,GaN E-HEMT可以减少200W LLC在1 MHz工作时的栅极驱动损耗50倍(从2.8 W到50 mW),除了降低LLC整流电路中的损耗之外,通过减少栅极驱动损耗可提高效率1.5%。
 
GaN实现了新应用
由于高频和高效率,GaN E-HEMT已经实现了具有空间自由度和高功率电平的无线功率传输。低栅极电荷QG是实现高效率的关键,因为开关频率增加了。例如,90%目标发射效率的50W,6.78 MHz E类无线功率发射器将使用56%的功率损耗预算来驱动MOSFET,而使用GaN E-HEMT时(图4)仅为4%。
 

图4:50W,6.78 MHz E类无线功率发射器具有90%的目标发射效率,将使用56%的功率损耗预算来驱动MOSFET,仅当使用GaN E-HEMT时才达到4%。
 
GaNPX®技术和GaN设计和制造诀窍,可产生最低的RDS(on)、最低栅极电荷、最低电容和最低寄生组合的增强型GaN HEMT,适用于650伏和100伏应用。
 
结论
GaN E-HEMT晶体管已成为电力电子设计的主流。它实现和增强了拓扑结构,如BTP PFC和LLC。GaN E-HEMT已经成为无线电力传输和充电功能的现实。较低的寄生和热应力和易用性已广泛应用于GaN技术。在数据中心、工业自动化、可再生能源和汽车应用中,更高的效率和更高的密度受到高度重视。GaN的效益总体上降低了系统、运输、安装、维护和运行成本。
gansystems.com
 

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