硅功率MOSFET在电源转换领域的发展

　　拥有30年成长史的硅功率MOSFET

　　功率MOSFET作为双极晶体管的替代品最早泛起于1976年。与那些少数载流子器件比拟，这些多半载流子器件速度更快、更坚硬，并且具有更高的电流增益。是以开关型电源转换手艺得以真正商用化。早期台式电脑的AC/DC开关电源是最早哄骗功率MOSFET的批量消费产品之一，随后泛起了变速电机驱动、荧光灯、DC/DC转换器等数千种如今已经深切我们日常糊口生计的其它应用。

　　国际整流器公司于1978年11月推出的IRF100是最早的功率MOSFET器件之一。这种器件具有100V的漏极-源极击穿电压和0.1Ω的导通电阻，树立了阿谁时代的基准。因为裸片尺寸跨越40mm2，代价高达34美元，是以这种产品没有当即遍及地替代传统的双极晶体管。

　　多年来很多制造商持续推出了很多代功率MOSFET产品。30年多来，基准根底膳绫强年都邑更新。至写这篇文┞仿时，100V基准公认为是英飞凌的IPB025N10N3G所贯穿连接。与IRF100的4Ω–mm2品质因数(FOM)比拟(1)，IPB025N10N3G的FOM不到0.1Ω–mm2。这个值几乎已经达到硅器件的理论极限(2)。

　　不过改善仍在持续。例如，CoolMOS器件和IGBT的导通机能已经跨越了简单垂直很多半载流子MOSFET的理论极限。这些立异在相当长一段时辰内可能还会继续，并且会充裕行使功率MOSFET的低成本构造和演习有素的设计师，而这些设计师经由多年实践后已经学会若何有效挖掘电源转换电路和系统的机能。

　　开启GaN新时代

　　HEMT(高电迁徙率晶体管)GaN晶体管最早泛起于2004年阁下，当时日本的Eudyna公司推出了一种耗尽型射频晶体管。经由过程在碳化硅基板上哄骗GaN，Eudyna公司成功分娩出为射频市场设计的晶体管(3)。HEMT构造基于的是1975年最先由T Mimura et al (4)描述，并且在1994年再次由M. A. Khan et al (5)描述的一种现象，这种现象展示了接近AlGaN和GaN异质构造界面之借居口处异常高的电迁徙率。将这种现象应用于碳化硅上成长的氮化镓，Eudyna公司成功分娩出在数兆赫兹频率局限内的基准功率增益。2005年，Nitronex公司推出第一种耗尽型射频HEMT晶体管，这种晶体管行使硅基上生成的GaN(6)晶圆制造，采用的是公擅本身的SIGANTIC®手艺(7)。

　　跟着别的几家公司介入市场，GaN射频晶体管在射频应用范畴继续阔步进步。但这个市场之外的接管性异常有限，首要原因是器件成本和耗尽型操作的不苟且。

　　于2009年6月，宜普公司推出了首款加强型硅基GaN功率晶体管，这种晶体管专门设计用于替代功率MOSFET。这些产品可以哄骗标准硅制造手艺和设备低成本地除夜批量分娩, 其构造对照简单，见图1。

　　

　　图1：硅基GaN器件具有与横向型DMOS器件雷同的异常简单构造，可以在标准CMOS代工厂制造。

　　冲破樊篱

　　30年的硅功率MOSFET汗青告诉我们，节制冲破性手艺的普及率有四除夜关键成分：

　　1.这种手艺可否支撑重除夜的新功能?

　　2.这种手艺是否随意草率哄骗?

　　3.这种手艺对用户来说是否极具成本效益?

　　4.这种手艺是否靠得住?

　　在接下来的┞仿节中我们将按照上述四条准则展开评论斗嘴可以或许替代主流硅功率MOSFET的硅基板GaN功率晶体管之近况。然后我们会进一步认识GaN的近期斥地设计，并猜测它们对电源转换行业的影响。

　　GaN功率晶体管支撑的新功能

　　加强型GaN HEMT器件(eHEMT) 能支撑的最除夜新功能是开关机能和整个器件带宽的冲破性改善(见图2)。GaN拥有比硅高得多的关键电场，是以这种新器件的漏极至源极之间可以承受高得多的电压，而对导通电阻的负面幼ê岽很小。

　　

　　图2：宜普公司加强型GaN功率晶体管的增益与频率关系曲线。

　　在功率MOSFET中，在器件除夜导通到关断(或除夜关断到导通状况)所需的器件传导率和电荷数量之间需要做一个根底的衡量。除夜这种衡量可以推导出称为RQ乘积的品质因数。这个指标被定义为器件的导通电阻乘以在正常工作电压和电流前提下开关器件所必需的向栅极供应的总电荷量。事实注解，这一指标的改善有助于提高高频DC/DC转换器的转换效率。RQ的绝对值一般页ヒ钩了实际电路中可以实现的最小脉宽。当然以前几年中RQ乘积获得了很除夜的改善，但硅功率MOSFET的品质因数仍未真正接近市场上已经推出的第一代eHEMT器件。图3对额定电压为100V和200V的基准硅器件和GaN器件作了对照。

　　

　　图3：100V和200V的基准硅功率MOSFET和GaN的RQ乘积对照。

　　DC/DC转换器

　　可以或许快速开关并且没有太多功率损掉意味着用户在电源转换电路中可以采用更小的脉冲宽度。需要这种能力的一种首要新兴应用长短隔离型DC/DC转换器。硅功率MOSFET的根底极限机能限制了单级非隔离型降压转换器的指标，其实际的输入电压与输出电压之比最除夜值只能达到10:1。除了这个比值外，降压电路顶端晶体管要求的短脉宽也将导致弗成接管的高开关损耗和由此引起的低转换效率。GaN晶体管完全打破了这一机能框架，如图4和图5所示。

　　

　　图4：不合输入电压下降压转换器效率与电流的关系。这种转换器中的顶部和底部晶体管用的都是单路100V EPC1001。对于硅器件来说，输入输出电压比跨越10:1常日被认为是弗成能实现的。

　　

　　图5a：在降压拓扑中哄骗EPC1001晶体管实现的300kHz 48V至1V转换波形。

　　

　　图5b：开关频率为1.5MHz的48V至1V转换波形。

　　

　　图5c：48V至0.5V转换波形。

　　GaN除了能增添VIN/VOUT比值局限外，还能显著降低降压转换器在任何VIN/VOUT比值时的开关损耗。对照12V至1V转换器就可以发现这种机能的显著改善，见图6。

　　

　　图6：对三种风行的负载点转换器和采用EPC1014/EPC1015 GaN晶体管斥地的转换器在VIN=12V和VOUT=1V、电流为5A和开关频率为600kHz时的功率损掉对照。

　　跟着新的GaN晶体管快速涵盖当前功率MOSFET和IGBT的电流和电压局限，AC/DC转换、同步整流和功率成分校正都将能实现明明的机能提高。

　　D类音频放除夜器

　　D类音频放除夜器经常面对着成本、体积和声音掉真之间的┞粉中考虑。影响掉真的最除夜成分是死区时辰和输出滤波器的相移。

　　D类音频放除夜器有三种按照死区时辰改变输出脉宽的独特操作模式。正向电感电流模式是基于高侧开关进行整流，反向电感电流模式是基于低侧开关进行整流，而双向电流则基于每个开关进行整流。这些模式将死区时辰拜别设置在上升沿、下降沿或既不是上升沿也不是下降沿的处所。死区时辰长短决意了与这种现象有关的掉真度。有限开关速度和体二极管前向电压将进一步加强这一效应。加强型GaN晶体管具有异常低的┞筏极电荷，是以具有异常短的延时和异常快的开关速度。高精度的开关准许更好地节制开关景遇，进一步缩短死区时辰，除夜而实现更低的掉真。

　　输出滤波器的尺寸和反馈增益由开关频率决意。在低开关频率时，必需哄骗除夜的滤波电容和电感，以便除夜想要的旗子暗记中消弭载波频率。除夜值的滤波元件不仅增添了放除夜器的成本和尺寸，还会造成相移，除夜而降低系统的不乱性，限制用于补偿很多元件掉真的反馈增益，最终影响系统的保真度。采用传统硅MOSFET时开关频率异常有限，因为功耗会因为高开关损耗而急迅上升。

　　GaN晶体管可以或许同时供应低的RDS(ON)和低的┞筏极电荷(QG)，是以在数MHz局限内都能供应超卓的效率。这时放除夜器可以哄骗更小值的滤波元件，除夜而削减它们对成本、尺寸和掉真的影响，并准许更高的增益反馈，减小开关放除夜器对掉真的影响。是以加强型GaN晶体管可以给D类应用带来明明更高的保真度和更低的成本。

　　加强型GaN晶体管易于哄骗吗?

　　器件是否随意草率哄骗取决于多方面成分，包孕哄骗者技术手段、待斥地电路的难易程度、与用户熟悉的器件比拟有多除夜的不同以及匡助用户哄骗器件的对象可用性等。

　　新一代加强型GaN晶体管的行为与现有功率MOSFET异常相似，是以用户可以充裕行使已有的设计经验。有两个关键范畴需要迥殊加以存眷：较低的┞筏极电介强度(及在有限栅极漏电流于每毫米栅极宽度毫安数量级)和较高的频率响应。这两种不同中的第一种——较低栅极电介强度将跟着手艺的成熟而赓续提高。同时，需要回收必然的办法消弭工作区的静电放电现象，并且设计电路时要贯穿连接VGS低于数据手册中的最除夜值(8)。第二种不同——较高频率响应不仅是指阶跃函数机能比以前任何硅器件要高，并且用户在设计电路疆土时需要多加考虑。例如，少量的杂散寄生电感可能导致栅极至源极电压发生较除夜的过冲现象，进而有可能损坏器件。

　　另一方面，也有几种特征使得这些器件比它们的前代硅器件加倍随意草率哄骗。例如，阈值电压实际上在很宽局限内自力于温度(8)，导通电阻的温度系数也比硅小得多(8,9)。

　　GaN晶体管也可以或许在高达300℃的温度下正常工作，但在125℃以上,PCB的焊接会影响实际应用。是以第一款商用加强型器件的工作温度最高为125℃。

　　表1除夜易用性的角度对硅功率MOSFET和EPC1001 GaN晶体管的根底特征作了较为完整的对照。

　　表1

　　

　　易于哄骗的对象对新器件的易用性起了很除夜的感导。宜普公司已经斥地出一整套TSPICE器件模型供用户下载哄骗(10)。图7显示了一个简单电路，并对实际器件机能和哄骗TSPICE模型仿真的后不雅作了对照。当然还需要做多些使这些模型操作完美的工作，但第一代产品应供应相当靠得住的电路机能猜测，除夜而提高工程师的产能，缩短产品上市时辰。

　　

　　图7：电路图及EPC1001 TSPICE仿真后不雅与实际测量的电路机能的波形图对照。

　　多年来的应用手册和设计技巧汇集了工程师们的集体磁绫趋和经验。描述于上百种哄骗功率MOSFET的应用, 已刊载于数千条的应用符号。GaN用户可能要花几年时辰才能理解如斯除夜量的常识，然则因魏Ｚ婵型GaN晶体管和硅功率MOSFET之间的相似性，这些常识及经验将继续有效。是以指导用户使器具有不凡特征的GaN的应用符号, 可除夜很多现有资料起原找到(11, 12)。

　　对用户而言是否极具成本效益?

　　基于不合手艺而制成的产品, 其成本对照需要稳重进行。别的，假如供需掉衡，产品代价就不克不及真实烦钩其成本。因为GaN功率晶体管市场还在成长的早期阶段，是以最有意义的信息是在硅功率MOSFET和市场上第一代加强型晶体管之间的成本对照。

　　影响产品成本的根查询拜访分有：

　　初始材料

　　汗媛成长

　　晶圆制造

　　测试与装配

　　为了便于理会，影响成本的其它成分如良率、工程成本、包装和运输成本以及一般开销成本,在不合的手艺下被设定为沟通。

　　初始材料

　　硅基GaN器件一般在150mm基板上分娩(将来产品将移植到200mm)，而这一范畴中的很多制造商是在100mm至200mm的基板上分娩功率MOSFET的。因为GaN器件哄骗标准的硅基板，是以与在沟通直径的初始材料上制造功率MOSFET比拟, 成本不变。事实上，在150mm和200mm硅晶圆之间, 每单位面积的成本不同是很少，是以我们可以得出的结论是GaN在每片晶圆之肇端材料方面，就不存在真正的成本不同。假如考虑到具有沟通电流承载能力的GaN器件面积比硅器件小，那么GaN每个功能的成本会更低。

　　汗媛成长

　　硅汗媛成长是一种成熟手艺，很多公司都制造高效率和主动化的机械。MOCVD GaN设备至少有两个起原，即美国的Veeco (13)和德国的Aixtron (14)。这两家公司都制造功能强除夜且靠得住的机械，这些机械的首要用途就是发光二极管束造中哄骗的GaN汗媛成长。没有一台机械针对硅基GaN海外优化过，也没有硅机械中常见的主动化程度。是以，硅基GaN海外要比今朝的硅海外较为昂贵。

　　但这种景遇不是一成不变的。因为没有像硅器件那样的极限值，工艺次数和温度、晶圆直径、材料成本和机械产能都在快速提高。在往后几年内，假如GaN作为硅功率MOSFET替代品而获得遍及采纳，那么GaN海外成本有望急洞居近硅海外的成本。

　　晶圆制造

　　图1所示的简单构造在标准硅晶圆代工厂哪里制造并不复杂。加工温度与硅CMOS相似，并且交叉污染也很随意草率治理。今朝宜普公司的所有晶圆都在Episil公司加工，这是一家有名的TW代工厂。

　　在GaN功率器件和功率MOSFET的晶圆制造成本之间没有材料方面的不同。

　　测试与装配

　　硅基GaN器件的成本构造在装配工艺上有很除夜的区别,尤胜硅功率MOSFET，而测试成本是沟通的。

　　硅功率MOSFET需要一个常日由铜引线框、一些铝、金或铜线构成的环抱封装，所有器械都在浇铸的环氧封套内。对垂直硅器件的顶部和底部需要做邻接，并且需要经由过程塑料压模防止湿断气入有源器件，及将热量排出器件的方式。

　　诸如SO8、TO220或DPAK等传统功率MOSFET封装会增添成本、电阻和热阻，并增添影响产品靠得住性和质量的风险。

　　硅基GaN可以用作“倒装芯片”，不会影响电气、散热或靠得住机能。

　　除夜图8可以看出，有源器件区域是与硅基板隔离的，很像蓝宝石上硅器件。是以，有源GaN器件可以由钝化层完全密封。别的，硅基板可以直接邻接到散热器，实现超卓的散热机能。

　　

　　图8：硅基GaN可以用作“倒装芯片”。有源器件与硅基板相隔离，是以可以在划片前实现完全密封。

　　总而言之，硅基GaN不需要封装，是以能去除与封装相关的一嵌旧本、电路板面积、热阻、电阻及封装后功率器件经常碰着的靠得住性问题。

　　表2列举了2010年硅基GaN与硅功率晶体管的单位面积成本不同，并对2015年时的成本不同作了猜测。因为沟通功能的硅基GaN器件面积更小，总的结论是硅基GaN显示可以尤胜表2所列。

　　表2

　　

　　GaN靠得住吗?

　　在硅功率MOSFET方面累积的靠得住性信息量是异常令人吃惊的。多年来很多人一贯在专一理解故障机制、节制和调整工艺，并设计出有别于其它产品的、作为任何电源转换系统中高靠得住性的产品基准。

　　硅基GaN晶体管才刚最先这一路程。然而，初步后不雅极其鼓舞人心。Nitronex公司已经发布了他们的质量鉴定试验后不雅(15)，器件并已成功应用于很多射频方案，后不雅优胜。

　　图9、10和11显示了器件的中期显示后不雅。除夜图中可以看到被测试器件在经由1000小时的┞筏极应力测试、漏极至源极应力测试和露出在高湿环境且有偏置前提下的不乱性。

　　宜普公司还将器件用在48V至1V DC/DC转换器中，在最除夜应力前提下连气儿工作1000小时也没有发生故障。

　　我们理解与这种新手艺有关的各类故障机制还需要做很多工作。所有进入章一全新范畴的工程人员员=都有望给这个常识库作出供献。除夜今朝我们拥有的数据来看，这种手艺如今已经可以或许在贸易应用中达至可接管的靠得灌程度。

　　

　　图9：在125℃和+5Vgs前提下1000小时栅极应力能力。

　　

　　图10：在125℃和100VDS前提下1000小时漏极至源极应力能力。

　　

　　图11：在相对湿度85%、温度85℃、100VDS和没有undeRFill景遇下1000小时湿度应力能力。

　　

　　图12：在40℃环境温度和10A电流前提下哄骗两个EPC1001 GaN晶体管的DC/DC转换器, 于连气儿工作1000小时后的后不雅。

　　将来成长标的目的

　　GaN成长之路才方才最先。以品质因数RQ代表的根底器件机能将获得根底性的抬举。跟着人们对材料和工艺的进一步认识，在往后三年内机能极有进展提高2倍，在往后10年内有望提高10倍。

　　我们也有望看到在不远的将来GaN器件可以供应高得多的击穿电压，因为宜普公司设计在2010年下半年推出600V器件，而其它公司也在公开评论斗嘴这方面的设计(16)。

　　对GaN来说,影响电源转换系统机能的最除夜机遇也许来安闲沟通基板上同时集成功率级和旗子暗记级器件的固有能力。硅基GaN异常像SOI，在元件之间没有显著的寄生交互，是以设计师可以或许很随意草率地在单个芯片上斥地出单片电源系统。

　　图13、14和15显示了已经制造出来的各类集成器件。图13是松下公司制造的三相电机节制IC(17)，内含用6个功率晶体管设计的板载IC驱动器。图14是宜普公司斥地的全桥功率器件，图15则是宜普公司供应的板载驱动器的功率晶体管。

　　

　　图13：丛聚成节制和加强型GaN功率器件的单片三相反相器IC。

　　

　　图14：宜普公司的单片全桥器件。

　　

　　图15：宜普公司供应的丛聚成式驱动器的GaN功率晶体管。

　　总结

　　在二十世纪七十年代晚期，功率MOSFET的斥地前驱相信他们拥有了一种可以或许完全替代双极晶体管的手艺。三十年后的今天，我们如丰除夜量应悠揭捉择了双极晶体管而不是功率MOSFET，但功率MOSFET市场规模要比双极晶体管市场除夜很多倍，因为所有新的应用和新的市场都是由这种冲破性手艺培育出来的。

　　今天，加强型硅基GaN站在同样的起跑线上。与1976年时的功率MOSFET一样，我们正在最先令人兴奋的路程，几乎每个月都有新产品和冲破性功能推出。

　　功率MOSFET不会被完全减少出局，但其机能和成本的重除夜改善行将结束。在将来的十年内，GaN因为在机能和成本方面的伟除夜优势而很可能成为主导手艺。跟着进修曲线的赓续展开，这种优势将进一步扩除夜(18)。

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