您已了解GaN晶體管出色的性能，您很興奮。樣品總算來(lái)到，您將它們放入板中。您打開(kāi)電源，施加負(fù)載，結(jié)果……性能并沒(méi)有比以前更好。更糟糕的是，遇到了以前不存在的開(kāi)關(guān)問(wèn)題。這些晶體管不好。真遺憾。為何出現(xiàn)這種情況？有沒(méi)有可能遺漏了什么？

20多年來(lái)，硅功率MOSFET已在開(kāi)關(guān)電源中占據(jù)主導(dǎo)地位。在這些應(yīng)用中，采用以前的雙極晶體管技術(shù)還無(wú)法實(shí)現(xiàn)高速和降低與頻率相對(duì)的功耗。隨著時(shí)間的推移，功率MOSFET已改進(jìn)，漸漸接近一個(gè)理想開(kāi)關(guān)的性能。但是，如果終端應(yīng)用要充分利用其優(yōu)勢(shì)，還必須理解這些晶體管獨(dú)特的非理想特性。隨著功率MOSFET開(kāi)關(guān)速度提升及硅技術(shù)的進(jìn)步，電路設(shè)計(jì)人員已被迫對(duì)元件位置和電路板布署作出更慎重的決定，以提升能效，同時(shí)管理寄生元件以控制噪聲和干擾。

GaN晶體管代表朝理想開(kāi)關(guān)發(fā)展的下一步，并在若干方面提供了飛躍的性能。元件布署和寄生元件控制帶來(lái)的挑戰(zhàn)如往常遵循相同的原則，不過(guò)現(xiàn)在更為顯著，因而提高了對(duì)電路布署的基本要求，比起支持慢速功率MOSFET的設(shè)計(jì)，現(xiàn)在需要的驅(qū)動(dòng)和電源回路設(shè)計(jì)更加嚴(yán)格。在這方面，客戶若嘗試將GaN功率晶體管放入現(xiàn)有的為硅功率MOSFET設(shè)計(jì)的電路中，往往會(huì)失望，他們會(huì)遇到問(wèn)題，或至少看不到所期望的性能上的提升。為了從GaN晶體管的應(yīng)用獲得充分的優(yōu)勢(shì)，有必要設(shè)計(jì)以它為中心的系統(tǒng)，而不是認(rèn)為系統(tǒng)開(kāi)關(guān)可有可無(wú)。利用GaN晶體管優(yōu)勢(shì)的假設(shè)是設(shè)計(jì)人員選擇了善用其優(yōu)勢(shì)的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方法。

GaN功率晶體管和硅功率MOSFET之間的一些關(guān)鍵差異如表1所示，表中對(duì)比了第一代GaN元件及新一代硅MOSFET。
 

從表中可看到，GaN元件有更少的柵極電荷，反向恢復(fù)電荷也大量減少。此外，與硅元件相比，輸出電容特性相對(duì)于漏-源電壓顯得更穩(wěn)定，并產(chǎn)生出色的輸出電容電荷。這些差異導(dǎo)致GaN元件的不同性能。更少的柵極電荷意味著相同的驅(qū)動(dòng)器IC可用更低的驅(qū)動(dòng)損耗。但這些差異真的提供了顯著的優(yōu)勢(shì)嗎？最好的方法是看看GaN可實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)，而不是將晶體管加入現(xiàn)有的條件中。使用更低的驅(qū)動(dòng)損耗，可增加開(kāi)關(guān)頻率，而不增加驅(qū)動(dòng)部分的功耗。增加開(kāi)關(guān)頻率可讓電路使用更小的磁性元件。根據(jù)電路類型和系統(tǒng)要求，還有可能減小大型電容。這些變化可節(jié)省空間，實(shí)現(xiàn)更高功率密度。

為確保提升功率密度，還必須考慮其他方面。每一次的開(kāi)關(guān)周期，能量?jī)?chǔ)存在晶體管的輸出電容，當(dāng)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，必須移除輸出電容以便元件能使用低電阻運(yùn)行。如果開(kāi)關(guān)電路采用循環(huán)利用能量的方式工作，增加的開(kāi)關(guān)頻率并不會(huì)造成多余的損耗；一般來(lái)說(shuō)，晶體管輸出的開(kāi)關(guān)損耗將與頻率成正比。

采用減小的系統(tǒng)尺寸，必須檢查熱傳導(dǎo)路徑，確保適當(dāng)處理剩余功耗，使元件和系統(tǒng)溫度要求不違反工作條件。在相同功耗和更高功率密度的情況下，系統(tǒng)熱電阻必須相同，使元件的工作溫度與較低功率密度時(shí)相同。如果要在更小體積中具有相同的系統(tǒng)熱電阻，可能需要不同的設(shè)計(jì)或更多的導(dǎo)熱材料。

對(duì)于GaN晶體管的另一誤解是功率MOSFET帶來(lái)的特性。當(dāng)功率MOSFET首次上市時(shí)，能量非常有限，過(guò)壓迫使整個(gè)系統(tǒng)電流在關(guān)閉狀態(tài)流過(guò)元件。工程師花了多年時(shí)間改進(jìn)元件使其能承受過(guò)壓事件。然而，由于其他系統(tǒng)性能優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)人員繼續(xù)使用功率MOSFET。類似的情況存在于當(dāng)今第一代GaN功率晶體管。它們不應(yīng)指望從系統(tǒng)分流高能量。事實(shí)上，即使采用硅功率MOSFET，數(shù)據(jù)表中的雪崩能量說(shuō)明了已足以保護(hù)客戶應(yīng)用的元件。這給客戶錯(cuò)誤的安全感。在實(shí)際情況下，額定雪崩能量通常不反應(yīng)元件在客戶使用條件下的能力。同樣，采用GaN晶體管時(shí)，必須注意要限制線路浪涌，以及其他會(huì)帶著額外能量涌入系統(tǒng)和引起高壓漂移的事件。然而，在這方面，當(dāng)今的GaN晶體管較硅MOSFET占優(yōu)勢(shì)。實(shí)際擊穿電壓遠(yuǎn)高于額定穩(wěn)態(tài)電壓，意味著元件損壞前瞬時(shí)電壓可升得很高。鑒于系統(tǒng)對(duì)地電容，仔細(xì)的設(shè)計(jì)不僅包括系統(tǒng)的瞬時(shí)浪涌抑制器，還需考慮所需能量以增加GaN晶體管漏-源電壓。

GaN晶體管的一項(xiàng)主要優(yōu)勢(shì)是開(kāi)關(guān)速度。然而，如果不從系統(tǒng)方面考慮利用這個(gè)性能，GaN的優(yōu)勢(shì)可能無(wú)法實(shí)現(xiàn)。采用GaN晶體管提供的快速邊緣速率，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可顯著增加開(kāi)關(guān)頻率。雖然寄生電感總是對(duì)開(kāi)關(guān)電路產(chǎn)生影響，但當(dāng)邊緣速率和開(kāi)關(guān)頻率上升，這個(gè)影響變得更加重要。更快的邊沿速率包含更多高頻諧波含量，增加作為傳導(dǎo)電磁干擾(EMI)或輻射EMI傳輸?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)。結(jié)合功率晶體管和外設(shè)電路，必須適當(dāng)調(diào)諧傳導(dǎo)EMI濾波，而非錯(cuò)誤地認(rèn)為依賴現(xiàn)有設(shè)計(jì)即可。為減小輻射EMI，必須保持開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)盡可能短而寬。

由于封裝在快速開(kāi)關(guān)晶體管中的寄生電感已經(jīng)證明對(duì)電源轉(zhuǎn)換能效有顯著影響，PCB布署仍很關(guān)鍵。必須充分減小電源和驅(qū)動(dòng)回路內(nèi)的總電感，以達(dá)到對(duì)元件開(kāi)關(guān)性能的最佳控制。這些電感的示例如圖1所示。

以最小的寄生電感實(shí)現(xiàn)更快的開(kāi)關(guān)頻率，便可修改其他元件。采用更高開(kāi)關(guān)頻率時(shí)，通常可減小變壓器或電感中的磁芯尺寸，以增加系統(tǒng)功率密度。如果采用和更大版本相同的材料和制造方式，將降低磁性元件成本。如果仍然能滿足系統(tǒng)需求，系統(tǒng)中的電容需求也可減少，但這遠(yuǎn)在意料之外。例如，可能有持續(xù)時(shí)間的要求，轉(zhuǎn)而需要最小的電容。

將寄生電感減至最小值并以此根據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，支持更短、更易控制的開(kāi)關(guān)事件，便能從終端應(yīng)用的能效看到快速開(kāi)關(guān)GaN晶體管的充分優(yōu)勢(shì)。

GaN功率晶體管承諾支持客戶推動(dòng)他們的設(shè)計(jì)超越硅的極限。系統(tǒng)開(kāi)關(guān)不再是電源轉(zhuǎn)換的限制因素，必須考慮其他電路以實(shí)現(xiàn)更高能效而緊湊的設(shè)計(jì)。考慮電路布署和元件選擇很重要，以推動(dòng)系統(tǒng)性能超越技術(shù)現(xiàn)狀。畢竟，GaN不是直接嵌入使用的硅的替代品，它是一種新的模型。