更高效,更小巧,更快速--GaN FET

当今世界随着对环境的保护，以及有限的石油煤矿等资源，节约能源是全世界一直以来的一个重要课题。据测算，提升1%的世界能源效率就能够减少大约55个燃煤发电厂，其中电源系统的功耗以及效率对节约能源就是一个重要研究分支。

在各种电子电气设备中，不论是消费类电子，家用电器，通讯硬件，电动车，太阳能灯，使用的都是开关电源（SMPS）架构。开关电源的效率一直是困扰着工程师的难题，而其中功率器件MOSFET上的损耗是导致开关电源效率的一个最严重的因子之一。

我们以DC-DC降压转换器为例来了解一下开关电源功率MOSFET的损耗。

左下图为典型的DC-DC降压转换器拓扑结构，右下图为波形。

其主要损耗来自：

1. 导通损耗--Rds(on)

---分别为上下端MOSFET管的导通损耗

2. 开关损耗--PLoss(IDS和VDS重叠导致)

---此处开关损耗主要为上端的MOSFET管

3. 体二极管反向恢复损耗

---下端MOSFET的体二极管的反向恢复电荷（QRR）导致

4. MOSFET输出电容损耗

--- MOSFET的输出电荷（QOSS(VIN)）导致

所以如果我们降低MOSFET的导通电阻，输入输出电荷以及反向恢复电荷，那么就能提高电源的效率。

正因为如此，第三代半导体材料——氮化镓( GaN)，作为当下新型的半导体材料，逐渐的出现在工程师面前。与Si MOSFET器件相比，功率GaN FET器件在电源转换效率和功率密度上有了极大的提升，可广泛应用于功率因数校正(PFC)、AC/DC、 DC/DC、DC/AC等电源系统设计。不论是消费类电子，光伏逆变，电动汽车，还是服务器及通讯设备等，都可使用新型的GaN器件,尤其是在中高压电源有很大的应用前景。

GaN为宽带隙器件（3.4eV），相较于Si（1.12ev）器件，具有高击穿电压，低漏电流，热导率高，高工作温度，高电子迁移率，可高速开关等。

同时具有如下特性：

•较低的RDS（on）：相同面积下导通电阻GaN FET是SiMOSFET的一半。这直接导致电路中传导损耗降低了50％。因此，可以在设计中使用较小的散热器和更简单的热管理。

	MOSFET	GaN
RDS（on）	14-18 mΩ-cm2	6-9 mΩ-cm2

•较低的栅极和输出电荷：GaN提供较低的栅极电荷。与MOSFET的4nC相比，典型的中压器件具有大约1nC的栅极电荷。较低的栅极电荷使设计具有更快的导通时间和转换速率，同时减少损耗。

GaN具有显著较低的输出电荷，首先，开关损耗下降多达80％，结合较低的传导损耗，对功率密度有重大和积极的影响。第二，根据拓扑和应用，设计可在更高的开关频率运行- 高达10倍。这大大减少了磁性材料的尺寸以及设计的尺寸和占用空间，同时将整体效率提高了15%。

	MOSFET	GaN
Gate charge栅极电荷	~4 nC-Ω	~1-1.5 nC-Ω
Output charge输出电荷	~25 nC-Ω	~5 nC-Ω

•零反向恢复：硅MOSFET在50至60 nC范围内具有典型的反向恢复电荷，具体取决于其尺寸和特性，而GaN Qrr为0.

	MOSFET	GaN
Qrr反向恢复电荷	~50-60nC	0

GaN是D-mode FET，为常开器件，使用非常不便，为了和Si一样为常关器件，器件厂商一般会做成增强型FET，级联一个LV NMOS。同时GaN作为高速开关器件（>Mhz），对GaN FET的驱动和设计就有要求。

•偏置电压：重要的是将栅极偏置为最佳电压以获得最佳的开关性能，同时保护栅极免受潜在的过压状况。偏置电平随类型和GaN制造工艺而异，需要相应设置。具有钳位或过压保护电路也极其关键。

•传播延迟：短传播延迟和良好匹配（针对半桥拓扑）对于高频操作非常重要。 25 ns的传播延迟和1到2ns的匹配是高频（1 MHz或更高）设计的一个很好起点。

TI的GaN 驱动芯片 都具有非常短的传播延迟以及匹配，兼容TTL和CMOS逻辑电平，温度，电流，电压保护,可调节死区时间等。具体请参考，LMG1205，LM5113，LM5114，UCC27611等。

即将推出的 LMG1020（PDF文档下载），有更短的传播延迟（2.5nS），高达60MHz，适合用在LIDAR、TOF(Time of Flight)激光驱动、高频谐振电源转换器等领域。可用在汽车辅助驾驶，无人机，手机等产品上。

LMG1020的Lidar应用图

LMG1210（PDF文档下载），也是有更短的传播延迟(10nS)和匹配(1.5nS),高达50MHz，死区时间可调，适合用在RF包络跟踪电源和D类音频功放等领域。

LMG1210的应用图

分离驱动与集成驱动GaN FET

GaN的高压摆率（100V/ns）和高开关频率(MHz)，设计中的任何寄生电感会在系统中引入损耗和振铃。许多电感源存在于GaN FET和驱动器封装中的引线和内部接合线以及印刷电路板（PCB）迹线的设计中。集成的GaN FET和驱动的方案就应运而生了。如下图a和图b:

       a.GaNFET分离驱动         b.GaNFET集成驱动

为了方便工程师，作为半导体器件的领先厂商，TI开发了LMG3410(高压600V)和LMG5200(中压80V)功率级解决方案,将驱动器和GaN FET集成到单个封装中，显著降低总体电感和增加保护,提高功率密度，优化驱动，提高效率，降低噪声。

LMG3410应用	LMG5200应用
• 图腾柱 CCM and CRM PFC	• 宽输入电压高频同步降压变换器
•高频LLC和移相全桥变换器	• Class D 功放
• 光伏逆变器	• 通讯，工业以及数据中心的48V 负载点变换器
• 马达驱动	•高功率密度单相和三相马达驱动
• 高电压电池充电器

   LMG3410                                        LMG5200

TI（德州仪器）的GaN应用案例

我们以市电230VAC输入，到芯片处理器应用电压1.0V/1.8VDC来比较Si MOSFET与GaN FET的差异。

现今的方案（Si MOSFET）                                                                                                

高功率密度方案（GaN FET）                                                                                                     

1KW图腾柱PFC:使用LMG3410和UCD3138A数字控制器，效率高达99%，相比市面上钛金电源的效率96%还高，且功率密度从3.4W/cm3提高到9.5W/ cm3，高达2.8倍。

                            使用LMG3410 图腾柱PFC                                        效率VS输出功率

LLC DC/DC:同样使用LMG3410和UCD3138A控制，1MHz高开关频率，降低了磁性元器件的尺寸，输入380V-400V,输出48V,效率大于97%，且传递功率密度为8.5W/ cm3,相较于Si MOSFET的5.8W/ cm3,提升近1.5倍。

使用LMG3410的 LLC 谐振变换器                效率VS输出功率

48V POL DC/DC: 使用LMG5200的POL，功率密度为8.5W/ cm3，比Si MOSFET的2.4W/ cm3提升了3.5倍，元器件也减少了50%。

                使用LMG5200的DC/DC变换器            尺寸比较                                      

GaN的可靠性（器件寿命）

TI作为GaN器件的领先厂商，组成了新的关于宽带隙功率半导体的JEDEC 委员会：JC-70 Wide Bandgap Power ElectronicConversion Semiconductors。

GaN FET相较于Si MOSFET,作为新型半导体器件，在可靠性测试方面还没有具体的标准(标准总是落后于新技术)。TI的相应GaN FET器件不仅在可靠性方面遵循JEDEC关于Si MOSFET的标准，同时进行了应用相关的动态测试，也就是在应用情况下的可靠性测试。TI预先的开发了各种测试来保证GaN FET在功率转换应用方面的可靠性。比如TI开发了如下的测试来验证GaN FET在升压电路下硬开关下的鲁棒性。

                                                          JEDEC-compliant test vehicle for inductive

                                                       switching  application test

总结：通过对Power GaN FET和TI的方案介绍，使用GaN FET的电源方案相较于Si MOSFET有：

更高的功率密度

更高的效率

更快的开关频率

数目更少的元器件以及更小的尺寸

尤其使用TI的集成Power GaNFET和Driver芯片后，更加容易应用, 在高压电源方面GaN方案会越来越普及。