然而，晶體管狀態(tài)改變引起的損失卻難以避免，因?yàn)楣璧奶匦詫?dǎo)致載流子在關(guān)閉通道時(shí)需要花費(fèi)一些時(shí)間來(lái)清除。因此，設(shè)計(jì)師在工藝設(shè)計(jì)中還需在導(dǎo)通電阻和擊穿電壓之間實(shí)現(xiàn)完美平衡。

盡管硅技術(shù)已然發(fā)展成熟且具備成本效益，但業(yè)界卻逐漸轉(zhuǎn)向氮化鎵 (GaN) 等材料，以期改善供電電路的性能。GaN的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)在于其帶隙能量為3.4eV，而硅的這一指標(biāo)僅為1.1eV。這一特性可實(shí)現(xiàn)更高擊穿電壓，能夠幫助設(shè)計(jì)人員縮小晶體管外形尺寸。它還可以提供更低的柵極電容和輸出電容，有助于將開(kāi)關(guān)頻率提高到兆赫級(jí)。

GaN另一關(guān)鍵屬性是其本身固有的高載流子遷移率。GaN的電子遷移率幾乎比硅高出40%。其高遷移率源于不同元件材料之間的接口處形成的二維電子氣，這是高電子遷移率晶體管 (HEMT) 及砷化鎵 (GaAs)等其它材料的固有特性。高遷移率能夠進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)低導(dǎo)通電阻，適合大電流應(yīng)用。

與硅相比，GaN器件能夠在硅器件無(wú)法承受的高溫條件下運(yùn)行，這就允許使用更小尺寸的散熱器，有助于進(jìn)一步減小電源電子產(chǎn)品的體積和重量。

GaN器件設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

盡管GaN器件與等效硅器件相比具備關(guān)鍵性能優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行GaN設(shè)計(jì)時(shí)需注意以下重要事項(xiàng)�？焖匍_(kāi)關(guān)能夠帶來(lái)尺寸和效能方面的優(yōu)勢(shì)，然而，電流的急劇變化加上寄生電感引起的響應(yīng)延時(shí)會(huì)在PCB內(nèi)產(chǎn)生不必要的瞬態(tài)電壓。這些瞬態(tài)電壓可能會(huì)干擾器件的柵極和驅(qū)動(dòng)器電路，并導(dǎo)致持續(xù)振蕩。這就需要采取振蕩抑制措施來(lái)確保安全運(yùn)行。設(shè)計(jì)人員可以采用PCB級(jí)技術(shù)來(lái)控制這些條件，從而最小化寄生電感，并最大程度地減少緩沖組件的應(yīng)用，如具有低等效串聯(lián)電阻的電容器，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)振蕩抑制目標(biāo)。

此外，習(xí)慣于硅MOSFET電路設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)人員可能不太了解GaN器件的一些運(yùn)行特性。許多GaN功率晶體管通常是耗盡型常開(kāi)器件，而硅 MOSFET則廣泛采用增強(qiáng)型常關(guān)設(shè)置。這就需要對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行一些微調(diào)，例如：調(diào)整驅(qū)動(dòng)來(lái)產(chǎn)生負(fù)電壓以完全關(guān)斷GaN FET。尤其在使用半橋高側(cè)功率轉(zhuǎn)換器時(shí)，柵極驅(qū)動(dòng)器必須具備良好的共模瞬態(tài)抗擾性，以便能調(diào)整高壓擺率。

隨著各種GaN新品陸續(xù)上市，英飛凌、安世半導(dǎo)體及恩智浦等領(lǐng)先半導(dǎo)體制造商紛紛投入設(shè)計(jì)相關(guān)解決方案，以幫助工程師應(yīng)對(duì)新技術(shù)帶來(lái)的挑戰(zhàn)，更順利地將GaN技術(shù)的優(yōu)勢(shì)融入設(shè)計(jì)中。

使用集成解決方案為設(shè)計(jì)人員提供便利

為解決使用GaN技術(shù)進(jìn)行低寄生電感PCB 設(shè)計(jì)時(shí)所面臨的布局約束，設(shè)計(jì)人員可以采用集成解決方案，如安世半導(dǎo)體GAN063-650WSAQ。這款650V、50mΩ的GaN FET是一種常關(guān)型器件，融合了安世半導(dǎo)體最先進(jìn)的高壓GaN和低壓硅MOSFET技術(shù)。


Nexperia GaN063

GAN063-650WSA將GaN和硅MOSFET技術(shù)集成到單個(gè)封裝中，可為設(shè)計(jì)人員帶來(lái)諸多便利，適用于工業(yè)和通信行業(yè)的功率轉(zhuǎn)換器、光伏逆變器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器以及功率因數(shù)校正前端。相比將同一器件的多個(gè)形態(tài)獨(dú)立布建在 PCB上，它采用的集成式封裝能夠從根本上降低柵極環(huán)路的寄生效應(yīng)。其次，GAN063-650WSA是一款增強(qiáng)型常關(guān)器件，且其30V的硅MOSFET可控制650V 功率晶體管，因而可以輕松地接入傳統(tǒng)柵極驅(qū)動(dòng)器電路。第三，其配套裝置可確保為硬開(kāi)關(guān)功率拓?fù)�，如功率因�?shù)校正 (PFC) 前端采用的圖騰柱配置，以及采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的拓?fù)涮峁┹^高的瞬態(tài)抗擾性。

靈活應(yīng)用堅(jiān)固耐用的耐高溫器件

英飛凌在功率晶體管設(shè)計(jì)方面擁有豐富經(jīng)驗(yàn)，并持續(xù)采用多種技術(shù)來(lái)為每個(gè)目標(biāo)市場(chǎng)提供合適的產(chǎn)品。英飛凌目前既提供硅基MOSFET和絕緣柵極雙極型晶體管 (IGBT)，同時(shí)還提供GaN和碳化硅 (SiC)產(chǎn)品。其中，碳化硅這種材料能夠滿足惡劣環(huán)境應(yīng)用對(duì)堅(jiān)固性和耐高溫性的嚴(yán)苛要求。

英飛凌的600V CoolGaN系列功率晶體管，包括IGT60R070D1及器件均具有一個(gè)重要特性，即提供增強(qiáng)模式操作且易集成電路設(shè)計(jì)，同時(shí)還能提供超快速開(kāi)關(guān)。IGT60R070D1的導(dǎo)通電阻僅70mΩ、柵極電容為5.8nC，且具備卓越的換向堅(jiān)固性。



Infineon CoolGaN

英飛凌還推出了EiceDRIVER系列IC，以便更輕松地驅(qū)動(dòng)具有較高柵極電壓的GaN 器件。由于具備更強(qiáng)的共模瞬態(tài)抗擾性，這些柵極驅(qū)動(dòng)器能夠?qū)崿F(xiàn)IGT60R070D1等GaN晶體管的快速開(kāi)關(guān)。隔離EiceDRIVER柵極驅(qū)動(dòng)器不僅能夠讓設(shè)計(jì)人員靈活地調(diào)整PCB器件布局設(shè)計(jì)，還能產(chǎn)生負(fù)柵源電壓來(lái)確保開(kāi)關(guān)瞬變期間的安全關(guān)斷狀態(tài)，同時(shí)保護(hù)功率晶體管免受寄生導(dǎo)通的影響。該系列柵極驅(qū)動(dòng)器IC還內(nèi)置電氣隔離，能夠?yàn)橛查_(kāi)關(guān)半橋應(yīng)用部署提供所需支持，例如PFC所需圖騰柱拓?fù)洹?/span>

實(shí)現(xiàn)射頻功率傳輸

通過(guò)GaN實(shí)現(xiàn)的高開(kāi)關(guān)頻率適用于一系列射頻功率傳輸應(yīng)用，如工業(yè)加熱、焊接和熱封以及等離子體生成。恩智浦提供的MRF24G300HS等射頻GaN功率晶體管專為2400-2450Mhz的無(wú)許可工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療 (ISM) 頻段進(jìn)行射頻功率傳輸。為了提供出色的熱性能，恩智浦的GaN晶體管采用SiC襯底，有助于確保連續(xù)波或脈沖操作。在連續(xù)波條件下，器件可提供336W的功率輸出。

與傳統(tǒng)硅MOSFET技術(shù)相比，GaN技術(shù)具有多項(xiàng)核心優(yōu)勢(shì)，不僅能持續(xù)支持創(chuàng)新應(yīng)用構(gòu)建，還能提供更緊湊、更高效電源。為充分利用GaN技術(shù)，工程師們可以通過(guò)從一類具有廣泛設(shè)計(jì)支持能力的全球電子元器件分銷商來(lái)選取合適的器件，并獲得相關(guān)專業(yè)知識(shí)來(lái)推動(dòng)未來(lái)項(xiàng)目設(shè)計(jì)及潛在新市場(chǎng)開(kāi)發(fā)。