氮化鎵(GaN)是一種新興的半導體工藝技術，提供超越硅的多種優勢，被稱為第三代半導體材料，用于電源系統的設計如功率因數校正(PFC)、軟開關DC-DC、各種終端應用如電源適配器、光伏逆變器或太陽能逆變器、服務器及通信電源等，可實現硅器件難以達到的更高電源轉換效率和更高的功率密度水平，為開關電源和其它在能效及功率密度至關重要的應用帶來性能飛躍。
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，這意味著開關過程的反向恢復時間可忽略不計，因而表現出低損耗并提供高開關頻率，而低損耗加上寬帶寬器件的高結溫特性，可降低散熱量，高開關頻率可減少濾波器和無源器件如變壓器、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，有助于設計人員實現緊湊的高能效電源方案。同為寬帶寬器件，GaN比SiC的成本更低，更易于商業化和具備廣泛采用的潛力。
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于硅基器件的重要性能優勢。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于GaN的產品和電源系統方案，用于工業、計算機、通信、LED照明及網絡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)晶體管NTP8G202N和NTP8G206N，兩款器件的導通電阻分別為290 m?和150 m?，門極電荷均為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 ?C和0.054 ?C，采用優化的TO-220封裝，易于根據客戶現有的制板能力而集成。
基于同一導通電阻等級，第一代600 V硅基GaN(GaN-on-Si)器件已比高壓硅MOSFET提供好4倍以上的門極電荷、更好的輸出電荷、差不多的輸出電容和好20倍以上的反向恢復電荷，并將有待繼續改進，未來GaN的優勢將會越來越明顯。
表2：第一代600 V GaN-on-Si HEMT 與高壓MOSFET比較
Cascode相當于由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，并提供低導通電阻，而低壓MOSFET提供低門極驅動和低反向恢復。HEMT是高電子遷移率晶體管的英文縮寫，通過二維電子氣在橫向傳導電流下進行傳導。
圖1：GaN內部架構及級聯結構
使用600 V GaN Cascode的三大優勢是：
1. 具有卓越的體二極管特性：級聯建立在低壓硅技術上，且反向恢復特別低;
2. 容易驅動：設計人員可使用像普通MOSFET一樣的傳統門極驅動器，采用電壓驅動，且驅動由低壓硅MOSFET的閾值電壓和門極電荷決定；
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、最終的漏電流低于規格門限、導通阻抗低于規格門限)。
PFC能效測試曲線
在許多現有電路拓撲中，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拓撲中，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.
采用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
采用GaN設計電源時，為降低系統EMI，需考慮幾個關鍵因素：首先，對于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門極電壓，因而無需特別的驅動器。其次，布板很重要，盡量以短距離、小回路為原則，以最大限度地減少元件空間，并分開驅動回路和電源回路，而且需使用解調電容。對于硬開關橋式電路，使用磁珠而不是門極電阻，不要用反向二極管，使用解調母線電容。
此外，必須使用浪涌保護器件，并通過適當的散熱確保熱性能，并行化可通過匹配門極驅動和電源回路阻抗完成，當以單個點連接時，要求電源和信號元件獨立接地。
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，這通常通過提高開關頻率來實現。傳統Si MOSFET在高頻工作下的開關和驅動損耗是一個關鍵制約因素。GaN HEMT提供較傳統MOSFET更低的門極電荷和導通電阻，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)低于17%。電源轉換器前端采用功率因數校正(PFC) IC，將AC轉換為調節的385 V DC總線電壓。升壓轉換器中的電感電流工作于CCM。升壓PFC段采用安森美半導體的NCP1654控制器。次級是隔離的DC-DC轉換器，將385 V DC總線電壓轉換為12 V DC輸出電壓。隔離的DC-DC轉換通過采用LLC諧振拓撲實現。次級端采用同步整流以提供更高能效。LLC電源轉換器采用安森美半導體的NCP1397，提供97%的滿載效率，而同步整流驅動器是NCP4304。NCP432用于反饋路徑以調節輸出電壓。演示板采用GaN HEMT作為PFC段和LLC段原邊的開關，提供0.29 m?的低導通電阻和> 100 V/ns 的高dv/dt，因而導致開關和導通損耗低，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、浪涌電流檢測。NCP1397提供精確度為3%的可調節的最小開關頻率、欠壓輸入、1 A/0.5 A峰值汲/源電流驅動、基于計時器的過流保護(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、零電流檢測引腳耐受電壓達200 V、可選的超快觸發輸入、禁用引腳、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，并通過2.2 kV共模模式和1.1 kV 差分模式的浪涌測試。輸入電壓為115 Vac和230 Vac時，系統峰值效率分別超過95%和94%。該參考設計較現有采用硅的216 W電源參考設計減小25%的尺寸，提升2%的效率。
關于此參考設計的電路原理圖、布板文檔、物料單、設計提示及測試流程可于http://www.onsemi.cn/PowerSolutions/evalBoard.do?id=NCP1397GANGEVB下載。
總結
GaN超越硅，可實現更快速開關、更緊湊的尺寸、更高功率密度及更高的電源轉換能效，適用于開關電源和其它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于軟開關電路拓撲結構回收能量，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器件的優勢，基于GaN的產品需求將快速增長。得益于技術的發展和市場的成長，將有望降低采用GaN的成本。安森美半導體憑借寬廣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，正工作于新的發展前沿，致力推進市場對GaN的廣泛采納。