为什么GaN E-HEMT是功率设计师的晶体管首选

日期:2019-04-07
 
GaN E-HEMT由于其优越的性能,正在取代硅(Si)MOSFET的设计
作者:Peter Di Maso, Jason Xu, GaN Systems Inc.
 
在这十年的大部分时间里,电力电子技术人员一直在用氮化镓晶体管实现新的拓扑结构。同样,系统创新者也在为使用GaN的工厂和家庭创造电动和自动车辆、工业机器、电视、笔记本电脑适配器、数据中心以及自动化方面的新水平。直到最近,这些基于氮化镓增强模式的高电子迁移率晶体管(E-HEMT)设计的例子已经在高级研究和预生产程序中出现。然而,基于氮化镓的电力电子已经突破了采用的障碍,现在正在大规模生产。
GaN E-HEMT由于其优越的性能,在系统上超过了硅(Si)MOSFET的设计。GaN E-HEMT具有较低的传导和开关损耗,从而导致更高的效率、更少的热量、更小的散热片和更高的功率密度。伴随着较低的损耗,更高的开关频率和干净的开关边缘,这将在关键应用中创建更小、更轻、更高效的电源转换器。这是通过电力电路中更小、更轻、更便宜的磁性元件和电容器来实现的。氮化镓晶体管的特性和结构不会导致反向恢复电流。这是硅MOSFET的一个主要区别,它允许高效、低EMI无桥图腾柱功率因数校正(BTP-PFC)拓扑。开关速度和转换速度的提高也意味着传统的半导体封装不足以充分利用更高功率水平(>500W)的氮化镓技术。GaN Systems采用了GaNPX®封装技术,可提高电流密度,提高热性能,并大大降低封装电感,以充分利用氮化镓的优势。GaNPX®技术消除了导线连接,从而消除了与之相关的故障模式,并提高了晶体管和电力电子系统的可靠性。
图1(a)和1(b)显示了GaN Systems的E-HEMT及其栅极驱动电路的简化电路。GaN E-HEMT易于驱动,且栅极驱动组件最少。驱动电路类似于硅MOSFET,但由于采用了最先进的性能指标(FOM),因此获得了更好的性能,见表1。GaN E-HEMT的另一个主要优点是易于实现并联。为了获得更高的输出功率,例如22千瓦的车载充电器,需要并联分立功率晶体管。GaN Systems的E-HEMT特性本质上适合于并联。并联系数为RDS(on)的温度系数、阈值电压VGS(th)、跨导gm的温度系数和封装。在并联应用中,低RDS(on) GaN E-HEMT的结温增加,以平衡通态时的均流,因为RDS(on)的正温度系数。随着温度的升高,迁移率gm减小,这一特性与稳定的超温门限一起有助于动态均流和自平衡。GaNPX®封装具有超低源电感,可提高并联性能和稳定性。此外,GaN Systems 提供双闸极焊盘功能,使并联应用中的对称印刷电路板布局更加容易。
与一种不同的栅极注入晶体管(GIT)技术相比,GaN Systems的E-HEMT提供了更好的性能。通过改变栅极电阻Rgon/Rgoff,GaN E-HEMT可以很容易地调节转换速率。相比之下,GIT GaN需要特殊的驱动设计,增加了加速电容器Cs和稳态电阻Rig(见图2),增加了设计复杂性,以确保不超过栅极电流的额定值。
                        
        
 
图1(a):GaN E-HEMT的简化电路                     图1(b):GaN E-HEMT栅极驱动电路
 
GIT GaN需要几个mA的稳态栅极电流,以保持本征栅极二极管在正向上完全偏压,从而保持全额定漏极电流(见图2)。这会导致比GaN E-HEMT更大的驱动损耗。在通电期间,附加的稳态电荷Qss,即稳态栅极电流积分,用简化形式表示为Qss = Iss x tss。图3显示了GIT GaN的栅极驱动电流,从关到开,在此期间会发生驱动损耗。GaN Systems E-HEMT具有较低的栅漏,即IGSS,从而降低了驱动损耗。
 
 
 
图2:GIT GaN功率晶体管的驱动电路
 
 
图3:GIT GaN功率晶体管的栅极驱动电流
 
表1:GaN E-HEMT和GIT GaN功率晶体管的电气特性比较
表1显示了GaN Systems的GaN E-HEMT(650 V,30 A)和GiT GaN功率晶体管(600 V,31 A)的电气特性。这些特性对器件的基本性能有重大影响。GaN E-HEMT提供更小的封装尺寸,从而导致更小的占地面积,更高的最大漏源电压,以及更好的性能系数。图4显示了使用表1中晶体管的栅极驱动损耗比较。当VGS在25°C时为3.5 V,稳态栅极电流(30 mA)来自GIT GaN数据表。该栅极电流将随温度升高而增大。比较两种技术在500kHz的开关频率下,GaN E-HEMT的栅驱动损耗为0.0174W,而GIT GaN的栅驱动损耗为0.19W,GaN Systems E-HEMT损耗比GiT-GaN低11倍,这对500W及以下应用的效率具有重要意义。
图4:栅极驱动损耗比较
 
用与硅MOSFET或其他开关功率晶体管相同的方法计算和测量了GaN E-HEMT的开关损耗和传导损耗,但是GaN的结果要好得多。开关损耗发生在从晶体管关闭(栅极电压=0 V,漏极到源极=Vbus)到打开(栅极电压上升至6 V,漏极到源极电压下降至约0 V)的转换过程中,然后当晶体管从打开(栅极电压为6 V,漏极到源极电压约为0 V)到关闭(栅极电压为0 V)的转换过程中,电压降到0伏,漏极至源电压上升到VBUS。当晶体管打开时(在打开转换之后和关闭转换之前),即在源电流导通漏极时,会发生传导损耗。当查看图5时,GaN E-HEMT和硅MOSFET之间的损耗差异是明显的,图5表示GaN E-HEMT的通断循环。图5中还表示了开关Si MOSFET的通电转换。GaN E-HEMT(650 V,30 A)的开启时间小于5 ns。这种开启时间通常比同等的(650 V,30 A)硅MOSFET少10倍,后者降低了相关的开启损耗。同样地,GaN E-HEMT的关断时间比类似的MOSFET的关断时间低10到20倍。
传导损耗的计算方法是将漏源电流的平方乘以晶体管的RDS(on)。传统上,硅MOSFET的特点是通过静态RDS(on)测试,该测试通过在栅极电压完全增强的同时将电流从漏极施加到源极。在开关电源电子器件的预期操作期间Si MOSFET的RDS(on)通过静态RDS(on)测试准确表征。从图5可以看出,在MOSFET电压波形的长通电周期之后,电压相对平坦。然而,GaN E-HEMT略有不同。由于GaN-on-Si晶体管的结构,在二维电子气(2DEG)势垒中存在俘获电荷。这种俘获电荷在GaN E-HEMT的导通时间内减少,在导通时间后立即达到最高。结果是,有效漏源电阻在开关循环开始时稍高,在占空比结束时降至稳态标称值。尽管GaN E-HEMT的静态RDS(on)测量提供了有关晶体管的宝贵信息,但它并不完全代表器件的有效RDS(on)。GaN E-HEMT的有效RDS(on)由静态RDS(on)加上一个小的可变动态元件表示。静态RDS(on)元件表示有效RDS(on)的大部分,如Si MOSFET。有效RDS(on)的动态元件取决于开关应用中的几个因素,如VBUS、开关频率和占空比。比目前所采用的更好的测试和描述有效RDS(on)的方法正在由像Gan Systems这样的GaN E-HEMT行业领导者开发出来。
图5:GaN E-HEMT的开关波形
 
GaN E-HEMT现在是高性能电力电子器件的首选晶体管,因为它们允许设计和实际生产显著更紧凑和高效的转换器设计。这是由GaN E-HEMT低电容、低栅电荷、低导通电阻和高电压能力实现的。GaN Systems E-HEMT通过提供最低的功率和最简单的栅需求扩展了氮化镓的价值。更好地描述和理解GaN E-HEMT的有效电阻是加强氮化镓的好处。
https://gansystems.com
 
 

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