【導(dǎo)讀】氮化鎵 (GaN) 半導(dǎo)體在 20 世紀(jì) 90 年代初首次作為高亮度藍(lán)色發(fā)光二極管 (LED) 投入商業(yè)應(yīng)用，隨后成為藍(lán)光光盤(pán)播放器的核心技術(shù)。自此以后雖已取得長(zhǎng)足進(jìn)步，但在將近二十年后，該技術(shù)才因其高能效特性而在場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET) 上實(shí)現(xiàn)商業(yè)可行性。
氮化鎵 (GaN) 半導(dǎo)體在 20 世紀(jì) 90 年代初首次作為高亮度藍(lán)色發(fā)光二極管 (LED) 投入商業(yè)應(yīng)用，隨后成為藍(lán)光光盤(pán)播放器的核心技術(shù)。自此以后雖已取得長(zhǎng)足進(jìn)步，但在將近二十年后，該技術(shù)才因其高能效特性而在場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET) 上實(shí)現(xiàn)商業(yè)可行性。
氮化鎵目前是半導(dǎo)體行業(yè)增長(zhǎng)最快的細(xì)分市場(chǎng)之一，復(fù)合年增長(zhǎng)率估計(jì)在 25% 至 50% 之間，其驅(qū)動(dòng)力來(lái)自對(duì)能效更高設(shè)備的需求，以期實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展和電氣化目標(biāo)。
與硅晶體管相比，氮化鎵晶體管可以設(shè)計(jì)出體積更小、效率更高的器件。氮化鎵最初用于高功率微波放大器系統(tǒng)，由于氮化鎵制造的規(guī)模經(jīng)濟(jì)性和制造小型、功率更大放大器的能力，其應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，形成了一個(gè)數(shù)十億美元的設(shè)備市場(chǎng)，涵蓋消費(fèi)、工業(yè)和軍事應(yīng)用領(lǐng)域。
人們普遍認(rèn)為硅 MOSFET 已達(dá)到其在電力電子領(lǐng)域的理論極限，而氮化鎵 FET 在進(jìn)一步提高性能方面仍有巨大潛力。氮化鎵半導(dǎo)體最常使用碳化硅 (SiC) 作為襯底，其次是更經(jīng)濟(jì)的硅或性能最好但最昂貴的金剛石。與硅基器件相比，氮化鎵器件的工作溫度更高，且電子遷移率和速度更高，反向恢復(fù)電荷更低或?yàn)榱恪?br style="padding: 0px; margin: 0px auto;"/>
氮化鎵功率半導(dǎo)體的功率密度約為砷化鎵功率放大器半導(dǎo)體的五倍。與砷化鎵和側(cè)向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體 (LDMOS) 等替代品相比，氮化鎵半導(dǎo)體的功率效率達(dá) 80% 或更高，可提供更出色的功率、帶寬和效率。目前，該技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，從快速充電電源適配器到納入汽車(chē)高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 的光探測(cè)和測(cè)距 (LiDAR) 設(shè)備。
數(shù)據(jù)中心是基于氮化鎵的器件的另一個(gè)新興市場(chǎng)，這些器件可以滿足日益增長(zhǎng)的功耗和冷卻要求，從而降低成本，并有助于解決運(yùn)營(yíng)商在監(jiān)管和政治層面面臨的日益增多的環(huán)境糾紛。
半導(dǎo)體制造商和市場(chǎng)研究公司還預(yù)測(cè)，從更高效的電池到電池牽引逆變器，電動(dòng)汽車(chē)的低壓和高壓應(yīng)用市場(chǎng)將不斷增長(zhǎng)。
迄今為止，這一領(lǐng)域一直是碳化硅器件占據(jù)主導(dǎo)地位，與氮化鎵一樣，碳化硅器件被歸類(lèi)為寬帶隙 (WBG) 半導(dǎo)體，具有高電子遷移率——能夠讓電力電子元件比硅基元件更小、更快、更可靠、更高效。氮化鎵的帶隙為 3.4 eV，而碳化硅的帶隙為 2.2 eV，碳化硅的帶隙為 1.12 eV。
與硅相比，氮化鎵和碳化硅功率半導(dǎo)體的工作頻率更高、開(kāi)關(guān)速度更快、傳導(dǎo)電阻更低。碳化硅器件可以在更高的電壓下工作，而氮化鎵器件則能以更低的能量提供更快的開(kāi)關(guān)速度，從而能夠讓設(shè)計(jì)人員減小尺寸和重量。碳化硅可支持高達(dá) 1,200 伏的電壓，而氮化鎵通常被認(rèn)為更適合最高 650 伏的電壓，盡管最近推出了更高電壓的器件。
與砷化鎵和其他半導(dǎo)體相比，氮化鎵可提供約 10 倍的頻率范圍功率（圖 1）。
圖 1：微波頻率范圍電力電子器件之比較。（來(lái)源：Analog Devices, Inc.）
設(shè)計(jì)考慮因素
據(jù)估計(jì)，全球消耗的電能中有 70% 或以上是被電力電子設(shè)備消耗的。依托氮化鎵的 WBG 特性，設(shè)計(jì)人員可以利用其更高的功率密度、出色的效率和超快的開(kāi)關(guān)速度，打造出更小的功率電子系統(tǒng)。
該技術(shù)為電力電子、汽車(chē)、太陽(yáng)能存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)中心等多個(gè)市場(chǎng)帶來(lái)了創(chuàng)新。氮化鎵器件具有很強(qiáng)的抗輻射能力，非常適合新興的軍事和航空航天應(yīng)用。
有些電子設(shè)計(jì)人員可能由于對(duì)材料成本的誤解而放棄使用氮化鎵功率器件。雖然氮化鎵襯底的制造成本最初遠(yuǎn)高于硅襯底，但這一差距已大大縮小，而且不同襯底的使用能夠讓設(shè)計(jì)人員在成本和性能之間找到最佳平衡點(diǎn)。
硅基氮化鎵為設(shè)計(jì)人員提供了最廣闊的市場(chǎng)潛力，在成本和性能之間實(shí)現(xiàn)了最佳平衡。不過(guò)，有了硅基氮化鎵和金剛石基氮化鎵這兩種選擇，產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員可以選擇最合適的襯底，以滿足其組織和客戶(hù)對(duì)性?xún)r(jià)比的需求。
由于氮化鎵的開(kāi)關(guān)速率非常高，設(shè)計(jì)人員需要特別注意電磁干擾 (EMI)，以及如何在電源回路布局中減輕這種干擾。有源柵極驅(qū)動(dòng)器對(duì)防止電壓過(guò)沖至關(guān)重要，可減少開(kāi)關(guān)波形產(chǎn)生的電磁干擾。
另一個(gè)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)問(wèn)題是可能導(dǎo)致誤觸發(fā)的寄生電感和電容。性能優(yōu)勢(shì)的最大化取決于橫向和縱向電源回路的最佳布局，以及驅(qū)動(dòng)器速度與設(shè)備速度的匹配。
設(shè)計(jì)人員還必須優(yōu)化熱管理，防止過(guò)熱影響性能和可靠性。應(yīng)根據(jù)封裝在減少電感和散熱方面的能力對(duì)封裝進(jìn)行評(píng)估。
Analog Devices 推出氮化鎵功率放大器
電子系統(tǒng)需要在能源所供電壓和電路所需供電電壓之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。首屈一指的半導(dǎo)體公司 Analog Devices, Inc. (ADI) 一直致力于提供業(yè)界領(lǐng)先的高性能氮化鎵功率放大器和技術(shù)支持，能夠讓設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)最高性能目標(biāo)，并更快地將其解決方案推向市場(chǎng)。
柵極驅(qū)動(dòng)器和降壓控制器對(duì)于最大限度地發(fā)揮氮化鎵功率器件的優(yōu)勢(shì)至關(guān)重要。半橋氮化鎵驅(qū)動(dòng)器可提高電源系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)性能和整體效率。DC-DC 降壓轉(zhuǎn)換器可將較高的輸入電壓轉(zhuǎn)換為較低的輸出電壓。
ADI 提供的 LT8418 是一款 100 V 半橋 GaN 驅(qū)動(dòng)器，集成了頂部和底部驅(qū)動(dòng)器級(jí)、驅(qū)動(dòng)器邏輯控制、保護(hù)和自舉開(kāi)關(guān)（圖 2）。它可配置為同步半橋降壓或升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。分路柵極驅(qū)動(dòng)器可調(diào)整氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的導(dǎo)通和關(guān)斷壓擺率，從而優(yōu)化 EMI 性能。
圖 2：ADI 基于 GAN 的 LT8418 開(kāi)關(guān) DC/DC 轉(zhuǎn)換器原理圖。（來(lái)源：Analog Devices, Inc.）
ADI GaN 驅(qū)動(dòng)器輸入和輸出具有默認(rèn)低電平狀態(tài)，以防止 GaN FET 誤導(dǎo)通。憑借 10 ns 的快速傳播延遲以及頂部和底部通道之間 1.5 ns 的延遲匹配，LT8418 適用于高頻 DC/DC 轉(zhuǎn)換器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、D 類(lèi)音頻放大器、數(shù)據(jù)中心電源以及消費(fèi)、工業(yè)和汽車(chē)市場(chǎng)的各種電源應(yīng)用。
LTC7890 和 LTC7891（圖 3）分別是高性能、雙通道和單通道降壓型 DC 到 DC 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器控制器，用于從最高 100 V 的輸入電壓驅(qū)動(dòng) N 溝道同步 GaN FET 功率級(jí)。這些控制器旨在解決設(shè)計(jì)人員在使用氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管時(shí)面臨的諸多挑戰(zhàn)，無(wú)需硅 MOSFET 解決方案通常使用的保護(hù)二極管或其他額外外部元件，從而簡(jiǎn)化了應(yīng)用設(shè)計(jì)。
圖 3：ADI 的 LTC7891 降壓控制器。（來(lái)源：Analog Devices, Inc.）
每個(gè)控制器都能讓設(shè)計(jì)人員精確調(diào)節(jié) 4 V 至 5.5 V 的柵極驅(qū)動(dòng)電壓，以?xún)?yōu)化性能，并允許使用不同的 GaN FET 和邏輯電平 MOSFET。內(nèi)部智能自舉開(kāi)關(guān)可防止 BOOSTx 引腳在死區(qū)時(shí)間向 SWx 引腳高壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器電源過(guò)度充電，從而保護(hù)頂部 GaN FET 的柵極。
這兩個(gè)元件都在內(nèi)部?jī)?yōu)化了兩個(gè)開(kāi)關(guān)邊沿的柵極驅(qū)動(dòng)器時(shí)序，使死區(qū)時(shí)間接近于零，從而提高了效率，實(shí)現(xiàn)了高頻率運(yùn)行。設(shè)計(jì)人員還可以使用外部電阻器調(diào)整死區(qū)時(shí)間。這些器件采用方形扁平無(wú)引腳 (QFN) 封裝，帶可潤(rùn)濕側(cè)翼。原理圖展示了采用 40 引腳、6 mm x 6 mm LTC7890（圖 4）和 28 引腳、4 mm x 5 mm LTC7891（圖 5）配置的典型應(yīng)用電路。
圖 4：使用 ADI 的 LTC7890 的典型應(yīng)用電路原理圖。（來(lái)源：Analog Devices, Inc.）
圖 5：使用 ADI 28 引腳 LTC7891 的降壓穩(wěn)壓器原理圖。（來(lái)源：Analog Devices, Inc.）
設(shè)計(jì)人員還可利用 ADI 電源管理工具組合實(shí)現(xiàn)電源性能目標(biāo)并優(yōu)化電路板。該工具套裝包括可變降壓電阻計(jì)算器、信號(hào)鏈功率配置器和基于 Windows 的開(kāi)發(fā)環(huán)境。
結(jié)語(yǔ)
氮化鎵是一種變革性的半導(dǎo)體材料，用于生產(chǎn)具有高功率密度、超快開(kāi)關(guān)速度和卓越能效的元件。產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員可以利用 ADI 的 GaN FET 柵極驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品，以更少的元件打造出更可靠、更高效的系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)更小的系統(tǒng)尺寸和重量。
(作者：Pete Bartolik)
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