氮化鎵(GaN)是一種新興的半導體工藝技術，提供超越矽的多種優勢，被稱為第三代半導體材料，用於電源系統的設計如功率因數校正(PFC)、軟式切換DC-DC、各種終端應用如電源轉接器、光伏逆變器或太陽能逆變器、伺服器及通訊電源等，可實現矽元件難以達到的更高電源轉換效率和更高的功率密度水準，為交換式電源供應器和其他在能效及功率密度至關重要的應用帶來性能的飛躍。
GaN的優勢
從表1可見，GaN具備出色的擊穿能力、更高的電子密度及速度，和更高的工作溫度。GaN提供高電子遷移率，這意味著切換過程的反向恢復時間可忽略不計，因而表現出低損耗並提供高切換頻率，而低損耗加上寬頻寬元件的高結溫特性，可降低散熱量，高切換頻率可減少濾波器和無源元件如變壓器、電容、電感等的使用，最終減小系統尺寸和重量，提升功率密度，有助於設計人員實現緊湊的高能效電源方案。同為寬頻寬元件，GaN比SiC的成本更低，更易於商業化，具備廣泛採用的潛力。
從表1可見，GaN具備出色的擊穿能力、更高的電子密度及速度，和更高的工作溫度。GaN提供高電子遷移率，這意味著切換過程的反向恢復時間可忽略不計，因而表現出低損耗並提供高切換頻率，而低損耗加上寬頻寬元件的高結溫特性，可降低散熱量，高切換頻率可減少濾波器和無源元件如變壓器、電容、電感等的使用，最終減小系統尺寸和重量，提升功率密度，有助於設計人員實現緊湊的高能效電源方案。同為寬頻寬元件，GaN比SiC的成本更低，更易於商業化，具備廣泛採用的潛力。
表1：半導體材料關鍵特性一覽
安森美半導體與Transphorm聯合推出第一代Cascode GaN
GaN在電源應用已證明能提供優於矽基元件的重要性能優勢。安森美半導體和功率轉換專家Transphorm就此合作，共同開發及共同推廣基於GaN的產品和電源系統方案，用於工業、電腦、通訊、LED照明及網路領域的各種高壓應用。去年，兩家公司已聯名推出600 V GaN 級聯結構(Cascode)電晶體NTP8G202N和NTP8G206N，兩款元件的導通電阻分別為290 mΩ和150 mΩ，閘極電荷均為6.2 nC，輸出電容分別為36 pF和56 pF，反向恢復電荷分別為0.029 μC和0.054 μC，採用優化的TO-220封裝，易於根據客戶現有的製板能力而整合。
GaN在電源應用已證明能提供優於矽基元件的重要性能優勢。安森美半導體和功率轉換專家Transphorm就此合作，共同開發及共同推廣基於GaN的產品和電源系統方案，用於工業、電腦、通訊、LED照明及網路領域的各種高壓應用。去年，兩家公司已聯名推出600 V GaN 級聯結構(Cascode)電晶體NTP8G202N和NTP8G206N，兩款元件的導通電阻分別為290 mΩ和150 mΩ，閘極電荷均為6.2 nC，輸出電容分別為36 pF和56 pF，反向恢復電荷分別為0.029 μC和0.054 μC，採用優化的TO-220封裝，易於根據客戶現有的製板能力而整合。
基於同一導通電阻等級，第一代600 V矽基GaN(GaN-on-Si)元件已比高壓矽MOSFET提供優質4倍以上的閘極電荷、更好的輸出電荷、差不多的輸出電容和優質20倍以上的反向恢復電荷，並將有待繼續改進，未來GaN的優勢會越來越明顯。
表2：第一代600 V GaN-on-Si HEMT 與高壓MOSFET比較
Cascode相當於由GaN HEMT和低壓MOSFET組成：GaN HEMT可承受高電壓，過電壓能力達到750 V，並提供低導通電阻，而低壓MOSFET提供低閘極驅動和低反向恢復。HEMT是高電子遷移率電晶體的英文縮寫，通過二維電子氣在橫向傳導電流下進行傳導。
圖1：GaN內部架構及串接結構
使用600 V GaN Cascode的三大優勢是：
1. 具有卓越的自體二極體特性：串接建立在低壓矽技術上，且反向恢復特別低;
2. 容易驅動：設計人員可使用像普通MOSFET一樣的傳統閘極驅動器，採用電壓驅動，且驅動由低壓矽MOSFET的閾值電壓和閘極電荷決定；
3. 高可靠性：通過長期應用級測試，且符合JEDEC行業標準(通過標準為：0個擊穿、最終的漏電流低於規格門限、導通電阻低於規格門限)。
1. 具有卓越的自體二極體特性：串接建立在低壓矽技術上，且反向恢復特別低;
2. 容易驅動：設計人員可使用像普通MOSFET一樣的傳統閘極驅動器，採用電壓驅動，且驅動由低壓矽MOSFET的閾值電壓和閘極電荷決定；
3. 高可靠性：通過長期應用級測試，且符合JEDEC行業標準(通過標準為：0個擊穿、最終的漏電流低於規格門限、導通電阻低於規格門限)。
PFC能效測試曲線
在許多現有電路拓墣中，Cascode GaN比Si提供更高能效。如圖2所示，在連續導電模式(CCM)升壓PFC拓墣中，在200 KHz和120 Vac輸入的條件下，Cascode GaN較超結合Si(SJ Si)提升近1%的效率，隨著頻率的升高，GaN的優勢更為明顯。
圖2：CCM 升壓PFC 在200 kHz 和120 Vac 輸入.
在許多現有電路拓墣中，Cascode GaN比Si提供更高能效。如圖2所示，在連續導電模式(CCM)升壓PFC拓墣中，在200 KHz和120 Vac輸入的條件下，Cascode GaN較超結合Si(SJ Si)提升近1%的效率，隨著頻率的升高，GaN的優勢更為明顯。
圖2：CCM 升壓PFC 在200 kHz 和120 Vac 輸入.
採用GaN還使得圖騰柱(Totem Pole)電路成為可能，較傳統CCM升壓PFC提供更高能效。
圖3：傳統CCM升壓FPC vs. 圖騰柱電路
設計注意事項
採用GaN設計電源時，為降低系統EMI，需考慮幾個關鍵因素。首先，對於Cascode結構的GaN，閾值非常穩定地設定在2 V，即5 V導通， 0 V關斷，且提供± 18 V閘極電壓，因而無需特別的驅動器。其次，布圖設計很重要，儘量以短距離、小回路為原則，以最大限度地減少元件空間，並分開驅動回路和電源回路，而且需使用解調電容。對於硬切換橋式電路，使用磁珠而不是閘極電阻，不要用反向二極體，使用解調母線電容。
採用GaN設計電源時，為降低系統EMI，需考慮幾個關鍵因素。首先，對於Cascode結構的GaN，閾值非常穩定地設定在2 V，即5 V導通， 0 V關斷，且提供± 18 V閘極電壓，因而無需特別的驅動器。其次，布圖設計很重要，儘量以短距離、小回路為原則，以最大限度地減少元件空間，並分開驅動回路和電源回路，而且需使用解調電容。對於硬切換橋式電路，使用磁珠而不是閘極電阻，不要用反向二極體，使用解調母線電容。
此外，必須使用衝擊保護元件，並通過適當的散熱確保熱性能，並行化可通過匹配閘極驅動和電源回路電阻完成，當以單個點連接時，要求電源和訊號元件獨立接地。
示例：利用GaN設計12 V/20 A 一體化工作站電源
一體化工作站正變得越來越輕薄，要求更輕和更小的電源轉換器，這通常通過提高切換頻率來實現。傳統Si MOSFET在高頻工作下的切換和驅動損耗是一個關鍵制約因素。GaN HEMT提供較傳統MOSFET更低的閘極電荷和導通電阻，從而實現高頻條件下的更高電源轉換能效。
一體化工作站正變得越來越輕薄，要求更輕和更小的電源轉換器，這通常通過提高切換頻率來實現。傳統Si MOSFET在高頻工作下的切換和驅動損耗是一個關鍵制約因素。GaN HEMT提供較傳統MOSFET更低的閘極電荷和導通電阻，從而實現高頻條件下的更高電源轉換能效。
演示板設計為240 W通用板，它輸出20 A的負載電流和12 V輸出電壓，功率因數超過98%，滿載時總諧波失真(THD)低於17%。電源轉換器前端採用功率因數校正(PFC) IC，將AC轉換為調節的385 V DC匯流排電壓。升壓轉換器中的電感電流工作於CCM。升壓PFC段採用安森美半導體的NCP1654控制器。次級是隔離的DC-DC轉換器，將385 V DC匯流排電壓轉換為12 V DC輸出電壓。隔離的DC-DC轉換通過採用LLC諧振拓墣實現。次級端採用同步整流以提供更高能效。LLC電源轉換器採用安森美半導體的NCP1397，提供97%的滿載效率，而同步整流驅動器是NCP4304。NCP432用於回饋路徑以調節輸出電壓。演示板採用GaN HEMT作為PFC段和LLC段原邊的切換，提供0.29 mΩ的低導通電阻和> 100 V/ns 的高dv/dt，因而導致切換和導通損耗低，其低反向恢復電荷產生最小的反向恢復損耗。
其中，NCP1654提供可編程的過流保護、欠壓檢測、過壓保護、軟啟動、CCM、平均電流模式或峰值電流模式、可編程的過功率限制、衝擊電流檢測。NCP1397提供精確度為3%的可調節的最小切換頻率、欠壓輸入、1 A/0.5 A峰值汲/源電流驅動、基於計時器的過流保護(OCP)輸入具自動恢復、可調節的從100 ns至2 μs的死區時間、可調節的軟啟動。NCP4304的關鍵特性包括具可調節閾值的精密的真正次級零電流檢測、自動寄生電感補償、從電流檢測輸入到驅動器的關斷延遲40 ns、零電流檢測接腳耐受電壓達200 V、可選的超快觸發輸入、禁用接腳、可調的最小導通時間和最小關斷時間、5 A/2.5 A峰值電流汲/源驅動能力、工作電壓達30 V。
經過頻譜分析儀和LISN測試，該設計的EMI符合EN55022B標準，並通過2.2 kV共模模式和1.1 kV 差分模式的衝擊測試。輸入電壓為115 Vac和230 Vac時，系統峰值效率分別超過95%和94%。該參考設計較現有採用矽的216 W電源參考設計減小25%的尺寸，提升2%的效率。
關於此參考設計的電路原理圖、布圖設計文檔、物料清單、設計提示及測試流程可於http://www.onsemi.cn/PowerSolutions/evalBoard.do?id=NCP1397GANGEVB下載。
總結
GaN超越矽，可實現更快速切換、更緊湊的尺寸、更高功率密度及更高的電源轉換能效，適用於交換式電源供應器和其他在能效及功率密度至關重要的應用。高能效的電源轉換有利於軟切換電路拓墣結構回收能量，如相移全橋、半橋或全橋LLC、同步升壓等。隨著更多工程師熟悉GaN元件的優勢，基於GaN的產品需求將快速增長。得益於技術的發展和市場的成長，將有望降低採用GaN的成本。安森美半導體憑藉多元的知識產權陣容和專長，結合功率轉換專家Transphorm無與倫比的GaN知識，正工作於新的發展前端，致力推進市場對GaN的廣泛採納。
GaN超越矽，可實現更快速切換、更緊湊的尺寸、更高功率密度及更高的電源轉換能效，適用於交換式電源供應器和其他在能效及功率密度至關重要的應用。高能效的電源轉換有利於軟切換電路拓墣結構回收能量，如相移全橋、半橋或全橋LLC、同步升壓等。隨著更多工程師熟悉GaN元件的優勢，基於GaN的產品需求將快速增長。得益於技術的發展和市場的成長，將有望降低採用GaN的成本。安森美半導體憑藉多元的知識產權陣容和專長，結合功率轉換專家Transphorm無與倫比的GaN知識，正工作於新的發展前端，致力推進市場對GaN的廣泛採納。
