采用Cascode结构 FET（GaN）高效率开关

    GaN HEMT模组解析

    基本的GaN构建模组就是高电子迁移率电晶体(HEMT)，它由一块基板上生长的各种GaN层构成。矽是首选基板，因为它能够以极低的成本应用到大直径晶圆中。碳化矽(SIC)或蓝宝石之类的替代基板可能更易于生长GaN层，但是这些基板的成本过高，让商业化和广泛应用变得完全不切实际。HEMT基本上是一种超高速、常开元件，像通过施加负闸偏压即可关闭的电阻。耗尽型(常开)特性对于将其应用到传统电力电子电路拓扑中来说可能是一种挑战。例如，半桥拓扑如今被广泛应用，如果耗尽型FET被用做上臂、下臂开关，那么有必要让闸极控制电路正常运行，从而再为DC汇流排加电前提供负偏压，因为如果未偏压，半桥就会短接汇流排。另一种替代方法是将非耗尽型主使能开关与半桥串联，一旦桥接电路的剩余部分可以正常运行了，即可被启动，但是这样会增加成本和传导损耗。

    另外，还可以调整GaN HEMT设计以便将闸临界电压由负转正，进而实现常关的增强型元件。增强型GaN HEMT可在低、中压范围(高达200V)使用，很快就可以达到更高电压(600V)。然而，就当今的技术而言，由于面临闸极驱动设计挑战，所以必须平衡增强型元件的便利性、性能和稳定性，增强型GaN HEMT的临界值电压较低，而且可以完全导通的增强型VGS和绝对最大额定值的VGS通常只差1V。鉴于GaN HEMT的开关速度极快，促使从漏极耦合到闸极的C dv/dt造成闸极驱动电路很容易受到「闸极反弹」电压的影响。尽管如此，增强型GaN HEMT仍然具有诱人优势，并且将来的产品设计毫无疑问会越来越好。

    Cascode结构拓展电压范围

    GaN HEMT和低压(20?40V)矽FET的Cascode连接如图1所示，Cascode就像工作电压范围被GaN HEMT扩展了的低压矽FET。GaN HEMT与矽FET的漏极相连，将电压范围扩展到600V之高。因为HEMT的闸极与矽FET的源极相连，所以矽FET的VDS就成了GaN HEMT的负VGS，从而自动提供必要的负偏压以实现关断操作。该结构有助于缓解任何闸极驱动问题，因为被驱动的闸极实际上是低压矽FET。虽然仍然存在同样的高开关速度「闸极反弹」问题，但Cascode矽FET的临界值电压和最高闸值电压都比增强型HEMT高得多，进而降低这些问题对它的影响。虽然开尔文(Kelvin)源极引脚和主源极的电路节点相连，但它的电流通路不同，也不与主漏极电流共用，因此消除了「共源电感」，进而减少了寄生L di/dt引起的闸极驱动器介面问题。

    图1 GaN HEMT和低压矽FET的cascode连接示意图

    体二极体特性

    Cascode GaN FET具有出色的体二极体行为。这是600V GaN Cascode开关的主要特性和优势之一：与绝缘闸双极性电晶体(IGBT)、Super-junction FET或其他矽FET相比，GaN Cascode的反向恢复电荷(Qrr)要出色得多(与SiC肖特基二极体相似)。随着温度的变化，测量的Qrr几乎是平直的，而温度升高时矽FET的Qrr会增加二至三倍。原因在于，在给定的Rds(on)下，20?40V FET的Qrr比600V FET低几个数量级。HEMT没有少数载流子，因此增加了电容，但是不会增加反向恢复电荷。因此，Cascode提供了25V矽FET的低Qrr性能，却将电压范围扩展到了600V。GaN Cascode与IGBT二极体和Super-junction FET的Qrr比，分别高约二十倍和两百倍。

    低Qrr意义重大，因为体二极体性能通常是硬开关应用的制约因素，600V GaN Cascode的传导损耗低于IGBT，反向恢复电荷低于常与IGBT一起使用的超高速二极体。这样就能够在高得多的频率下采用半桥拓扑，从而改善传导和开关损耗，而且它的振荡和过冲也比矽的元件低。

    即使对于LLC谐振转换器这样的软开关拓扑，GaN Cascode的死区时间也比矽Super-junction FET低，因为其总输出电荷(Qoss)比具有相同Rds(on)的FET低三倍。即使LLC拓扑是ZVS，在通道反向传导之前仍然存在着续流二极体，因此Super-junction结构的长反向恢复时间极有可能限制死区时间的降幅。

    Super-junction Qoss的极端非线性特征，一般需要几百奈秒(ns)来充电，而且一旦充电，会瞬间出现很高的dv/dt漏极的电压。与Super-junction相比，具有相同Rds(on)的GaN级联FET的充电速度快二至三倍，dv/dt也好得多。因此，与对应的Super-junction相比，GaN Cascode能够在不增加损耗的情况下实现LLC转换器的高工作频率。

    [@B]元件电容与电荷[@C] 元件电容与电荷

    对于硬开关拓扑，FET输出电荷Qoss每个周期都会被耗尽，所以Qoss是频率相关开关损耗的要素之一。因此，FET的普通开关损耗指标就是RDS(on)×Qoss，换句话说，就是在给定的RDS(on)下每个周期损耗了多少输出电容相关电荷。GaN Cascode开关比当今最好的Super-junction FET还好三倍，将来这一数值还会继续改进。

    Qoss和Qrr有时容易被混淆。虽然这些参数是在不同条件下分别测量的，但是存在着一定的重叠，从而掩盖了GaN Cascode这类技术的真正优势。反向恢复电荷Qrr是利用专用半桥电路(亦即双脉冲测试仪)进行测量的：在上臂FET内建立其体二极体正向电流，然后打开下臂FET，从而迫使上臂体二极体内发生反向恢复事件。随着时间的流逝，测量电流，然后合并总反向传导区域，得到电荷测量值Qrr。但是设想有一个带有一定电容的理想二极体，然后按下面这种方法进行评估：电容放电所需的电流是负电流，对其进行合并并称之为Qrr，但是它不是真正的反向恢复电荷(理想二极体没有反向恢复电荷)，它只是电容电荷。重点在于传统Qrr测量将真正的Qrr和Qoss混为一谈并称之为Qrr。这一点很重要，因为不同的拓扑对真正的Qrr较敏感，而对Qoss则不那么敏感。例如，软开关拓扑可能会将Qoss整合到整个谐振电路中去，让它变得基本上无损耗。但是与真正的Qrr相关的二极体复合时间造成的延迟和反向电流会产生功率损耗。结论就是，单看资料手册中的参数或简单的指标无法知悉全部情况。每款元件都须要仔细评估，进而了解其应用电路的真正损耗。

    电力电子常用的拓扑随着半导体的发展而不断变化。GaN实现了那些需要低Rds(on)和出色的体二极体行为的拓扑，从而将应用领域扩展到传统FET无法充分发挥作用的领域，例如无桥升压PFC和相移全桥转换器之类的高频、高效拓扑，甚至电机驱动应用也能受益，尽管它们的开关频率通常较低。GaN Cascode FET的传导损耗低于IGBT，特别是在轻负载下，适于压缩机和大多数时间在10?20%负载下运行的其他应用。GaN还可以在同步整流器模式下运行，从而降低二极体传导损耗(与IGBT相比)。此外，相比于任何矽FET，即使是快速恢复外延二极体场效应电晶体(FREDFET)，GaN Cascode的反向恢复特性也较出色，从而缩短硬开关条件下的转换时间，无须增加传导电磁干扰(EMI)即可降低开关损耗。

    归根究底，体二极体行为限制所有600V开关选项的性能，因为通常须在开关速度以及反向恢复的di/dt与dv/dt特性造成的EMI之间进行折中;换言之，必须降低矽FET的速度(这将提高开关损耗)方能消除传导EMI。第一代GaN FET现已实现商业化，与当今最好的矽FET相比其有了明显改善。

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