让我们一起实现氮化镓的可靠运行-电子技术方案|电路图讲解
我经常感到奇怪，我们的行业为什么不在加快氮化镓 (GaN) 晶体管的部署和采用方面加大合作力度；毕竟，大潮之下，没人能独善其身。每年，我们都看到市场预测的前景不太令人满意。但通过共同努力，我们就能够大大增加这项高能效技术的市场渗透能力。
如果GaN取得胜利，我们将都是赢家。世界范围内的能效只需提高1%，我们就能关闭45个火力发电厂。在日常生活中，我们已经目睹了GaN技术的部署和采用——其实直到几个月前，我还没发现这一点，因为我女儿问我GaN长什么样子，我才意识到，在家中的节日彩灯中有数百个GaN啊：那是GaN LED里使用的GaN。
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GaN可靠性是一个不错的合作主题。即使GaN晶体管现在通过了传统硅质量检测应力测试，即“qual”，其采用仍然很慢。这是因为“qual”并不能保证低用户退货率，其原因在于它是基于硅材料的。虽然通过“qual”测试对于器件的生产制造、质量和可靠性具有重要的意义，但它并不能表明器件使用寿命、故障率和应用相关性方面对GaN晶体管的意义。开发人员有多种选择，即使硅材料解决方案体积更大且能耗更高，但是它们已经过了测试。
对于采用GaN的开发人员来说，他们需要有信心去相信部件在预计的使用寿命内能够稳健耐用地运行。在TI，我们始终在深入思考这意味着什么，并将其归结为图1中所表示的2个项目。首先，传统硅技术方法需要针对GaN和其故障模式进行拓展。第二，应力测试需要包括电源管理的开关条件，而这是传统硅材料qual测试无法解决的。
图1：GaN质量鉴定需要现有硅方法体系的扩展，并且需要增加实际使用情况下的应力测试
当一个行业携起手来共同开发标准时，这些标准就会被认为是可信的。预测的可靠性标准需要对技术和其故障模式，以及在测试、质量鉴定和产品运行方面的知识深入了解。预测性标准的优势在于极大加快了市场普及，而第一步就是意识到现有技术的不足和缺陷。
我首先在一份白皮书中（确定 GaN 产品可靠性的综合方法）对这个问题进行说明。这份白皮书引发了业内的讨论，这也促使我们将这个对话延续下去，我们在今年3月召开的应用电力电子会议 (APEC) 上提交了一份行业对话论文，并且接受IEEE国际可靠性物理学讨论会 (IRPS) 技术委员会的邀请。我们希望本次对话能够进一步扩展至工作组层面，并且在其他人也针对这个重要话题发表看法时拓展工业领域的协作。
TI正在通过可靠且值得信赖的GaN产品努力打造一个能效更高的未来，同时也将数年的硅制造专业知识和先进器件开发技术引入到GaN中。TI一直充分利用现有的生产制造基础设施和能力，使600V GaN工艺符合要求。为了确保可靠性和稳健耐用性，在对TI的器件进行测试时，TI所使用的GaN特定测试方法的有效性远远超过了传统硅质量鉴定做法。
借助于合格的器件，电源设计人员能够实现GaN的满功率运行，从而打破市场普及阻碍，而最为重要的一点是，这使我们有可能生活在一个能效更高的世界中。
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氮化镓 (GaN) 技术由于其出色的开关特性和不断提升的品质，近期逐渐得到了电力转换应用的青睐。具有低寄生电容和零反向恢复的安全GaN可实现更高的开关频率和效率，从而为全新应用和拓扑选项打开了大门。连续传导模式 (CCM)图腾柱PFC就是一个得益于GaN优点的拓扑。与通常使用的双升压无桥PFC拓扑相比，CCM图腾柱无桥PFC能够使半导体开关和升压电感器的数量减半，同时又能将峰值效率推升到95%以上。本文分析了AC交叉区域内出现电流尖峰的根本原因，并给出了相应的解决方案。一个750W图腾柱PFC原型机被构造成具有集成栅极驱动器的安全GaN，并且展示出性能方面的提升。
I. 简介
当按下智能手机上的一个按钮时，这个手机会触发一个巨大的通信网络，并且连接到数千英里之外的数据中心。承载通信数据时的功耗是不可见的，而又大大超过了人们的想象。世界信息通信技术 (ICT) 生态系统的总体功耗正在接近全球发电量的10% [1]。单单一个数据中心，比如说位于北卡罗来纳州的脸谱公司的数据中心，耗电量即达到40MW。另外还有两个位于美国内华达州和中国重庆的200MW数据中心正在建设当中。随着数据存储和通信网络的快速增长，持续运行电力系统的效率变得越来越重要。现在比以前任何时候都需要对效率进行空前的改进与提升。
几乎所有ICT生态系统的能耗都转换自AC。AC输入首先被整流，然后被升压至一个预稳压电平。下游的DC/DC转换器将电压转换为一个隔离式48V或24V电压，作为电信无线系统的电源，以及存储器和处理器的内核电压。随着MOSFET技术的兴起和发展，电力转换效率在过去三十年间得到大幅提升。自2007年生效以来，Energy Star（能源之星）80 PLUS效率评价技术规范 [2] 将针对AC/DC整流器的效率等级从黄金级增加到更高的白金级，并且不断提高到钛金级。然而，由于MOSFET的性能限制，以及与钛金级效率要求有关的重大设计挑战，效率的改进与提升正在变慢。为了达到96%的钛金级峰值效率，对于高压线路来说，功率因数校正 (PFC) 电路效率的预算效率应该达到98.5%及以上，对于低压电路，这个值应该不低于96.4%。发展前景最好的拓扑是无桥PFC电路，它没有全波AC整流器桥，并因此降低了相关的传导损耗。[3] 对于不同无桥PFC的性能评价进行了很好的总结。这个性能评价的前提是，所使用的有源开关器件为MOSFET或IGBT。大多数钛金级AC/DC整流器设计使用图6中所示的拓扑 [3]，由两个电路升压组成。每个升压电路在满功率下额定运行，不过只在一半AC线路周期内运行，而在另外周期内处于空闲状态。这样的话，PFC转换器以材料和功率密度为代价实现了一个比较高的效率值 [4]。通常情况下，由于MOSFET体二极管的缓慢反向恢复，一个图腾柱PFC无法在连续传导模式 (CCM) 下高效运行。然而，它能够在电压开关为零 (ZVS) 的变换模式下实现出色的效率值。数篇论文中已经提到，PFC效率可以达到98.5%-99%。对于高功率应用来说，多个图腾柱升压电路可以交错在一起，以提高功率水平，并且减少输入电流纹波。然而，这个方法的缺点就是控制复杂，并且驱动器和零电流检测电路的成本较高。此外，因此而增加的功率组件数量会产生一个低功率密度设计。因此，这个简单的图腾柱电路需要高效运行在CCM下，以实现高功率区域，并且在轻负载时切换至具有ZVS的TM。通过使用这个方法，可以同时实现高效率和高功率密度。作为一款新兴半导体开关，氮化镓 (GaN) FET正在逐渐走向成熟，并且使此类应用成为可能。Transphorm公司已经在APEC 2013上展示了一款峰值效率达到99%的基于GaN的图腾柱CCM PFC [9]。[10-12] 还介绍了GaN器件出色的开关特性，以及应用优势。为了更好地理解GaN特性，并且进一步解决应用中存在的顾虑，特别是开关频率和交叉电流尖峰问题，这篇文章讨论了：II. GaN技术概述、III. 图腾柱CCM PFC控制、IV. 实验和V. 结论。
II. GaN技术概述
GaN高电子迁移率晶体管 (HEMT) 首次问世是在2004年。HEMT结构表现出非同寻常的高电子迁移率，这个值所表示的是一个AlGaN和GaN异构表面附近的二维电子气 (2DEG)。正因如此，GaN HEMT也被称为异构FET (HFET)，或者简单地称为FET。基本GaN晶体管结构如图1中所示 [13]。源电极和漏电极穿透AlGaN层的顶部，并且接触到下面的2DEG。这就在源极和漏极之间形成一个低阻抗路径，而也就自然而然地形成了一个D模式器件。通过将负电压施加到栅极上，2DEG的电子被耗尽，晶体管被关闭。
图1—D-mode GaN FET结构
图2—E-mode GaN FET结构
增强模式 (E-mode) GaN晶体管器件使用与D-mode GaN器件一样的基底工艺，在一个硅 (Si) 或碳化硅 (SiC) 基板顶部培养一层薄薄的氮化铝 (AlN) 绝缘层。然后，高阻性GaN和一个氮化铝镓与GaN的异构体被先后放置在AlN上。源电极与2DEG接触，而漏电极与GaN接触。对于栅极的进一步处理在栅极下形成一个耗尽层。图2中给出了这个基本结构。要接通FET，必须在栅极上施加一个正电压。
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