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重新定义电源设计:GaN晶体管
2018-08-03
引子:经过大量实践检验,已被证明安全可靠的硅MOSFET已经成为电源电路设计的中流砥柱,但随着基于氮化镓的最新功率器件技术的发展,电源设计的趋势正逐渐转向GaN晶体管。

硅功率MOSFET电源晶体管多年来一直是电源设计的中流砥柱。时至如今,尽管硅MOSFET仍被广泛使用,但在某些新的设计中,氮化镓(GaN)晶体管已经开始逐渐取代硅MOSFET。随着GaN技术的最新发展,再加上经过大量优化的GaN器件和驱动电路的可用性不断提高,使更多的电源设计工程师开始关注并尝试基于GaN器件的设计可能性。GaN功率器件拥有比传统的硅MOSFETs的器件更显著的优势:例如更快的开关速度,更高的效率等等。

图1,氮化镓开关速度快,可以大幅度提升效率

氮化镓器件
 
 
 
 

GaN功率器件到现在已经发展很多年了(见图2)。早期的器件是在昂贵的衬底上制作的。例如,蓝宝石(sapphire)或碳化硅(SiC)衬底。主要应用是用于高频的RF射频功率放大器。由于氮化镓具有很高的电子迁移率和很高的耐压特性,这些器件可以在GHz频率范围内产生数百瓦的功率。

图2,氮化镓器件商用化到现在已经快10年

这种晶体管被称为高电子迁移率晶体管(High Electron Mobility Transistors,HEMTs)。HEMTs是金属-半导体结场效应晶体管的一种形式,采用不同的材料作为栅极和沟道。这些是“耗尽型”FETs,沟道是自然“开启”的,即“常开”。不像“增强型”FETs的沟道是自然“关闭”的(即“常关”),常开型HEMT FETs需要关键的偏置网络才能正常运行。

图3 主要应用与分布式结构的通信高端领域,如无线基站和交换机设备、路由器、数据中心产品。对电压精度、效率、动态响应、排序、控制及端口协议都有严格的要求。

基于失效安全和设计简单的要求,功率器件最终还是要发展出增强型(Enhancement-mode)的GaN FET。它是绝缘栅型的。与其他GaN器件一样,它们拥有高速开关、高击穿电压和高温工作等优势。尽管到目前为止,增强型GaN器件比硅MOSFETs昂贵,但它们更适合电源设计,并提供了一个可以获得更高性能和效率的设计路径。

图4 氮化镓常关型器件是氮化镓功率器件的发展趋势

高压设计案例
 
 
 
 

开关电源(SMPS)设计是提高能量转换效率和节约能源的答案。大多数新设计采用SMPS技术,包括稳压器、DC-DC转换器、点负载转换器和逆变器。然而,即使是SMPS设计也是可以进一步改进的。

我们都知道,每一个功率变换阶段,效率都会下降。将高电压转换为较低的直流电,用于通常需要多个DC-DC变换和稳压环节的处理器和FPGAs。如果可以使用高压器件进行转换,则可以减少电压转换的次数,从而提高整个系统的转换效率。GaN器件则提供了这种可能性。

数据中心电力系统就是一个例子。数据中心包含许多高功率的服务器,这些服务器通常需要大电流和低电压。我们都知道,维持数据中心工作的电费是非常高昂的,再加上冷却这些高负荷运作的服务器所需要的电力,整个的能耗是非常之高。所以,在电能变换路径上的任何关于节能的思考和方法都是值得的。图5(a)显示了具有120或240V交流输入的典型电源。

图5 (a)具有120或240V交流输入的典型电源 (b)通过使用不同的电路拓扑以及更少的变换模块来提高功率转换效率。

如图5(a)中所示,功率因素校正(PFC)模块是电气设备所必须的。这通常是一个直流输出为380V的升压变换器。随后传递给一个Inductor-Inductor-Capacitor(LLC)模块,提供36-60 V的直流输出。随后进一步由DC-DC转换器降压,然后再通过POL变换模块将电压转换到1-1.8V,用于处理器、内存和FPGAs的供能。上述的每一个变换“关口”都对系统效率征收了一笔“关税”,使得效率大大降低。

如图5(b)所示的电路拓扑是降低上述“关税”的解决方案。在PFC阶段,可以替换拥有高耐压高开关速度的GaN器件。氮化镓器件更高的开关频率,意味着整个模块中的磁性元器件都可以缩小和提效。在LLC降压阶段同样替换GaN器件,使得开关频率提高到1MHz以上,来输出 36到60V。用于POL模块的一个电压典型值是48V,这一个阶段也可以使用GaN器件。上述的整个设计,不但可以是的整个系统更小,同时更高效。

 另一个应用是太阳能逆变器。太阳能电池板通常会驱动一个DC-DC升压变换器。反过来,该DC-DC转换器会驱动DC-AC逆变器,该逆变器可以供应适用于负载和电网需求的120/240V AC 60Hz交流电。一些太阳能系统可能包括电池存储模块。在上述的存储和转换这两个模块,都可以使用GaN器件,让其工作在超过100 kHz的开关频率下,可以大大提高整个系统的效率。

除了DC-DC转换器、POL转换器和逆变器之外,其他基于GaN器件的应用还包括电机驱动和D类大功率音频放大器。

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