GaN HEMT為開關(guān)應(yīng)用帶來低噪聲功率

氮化鎵 （GaN） 高電子遷移率晶體管 （HEMT） 是場效應(yīng)晶體管的一種形式，它在微波頻率下工作時結(jié)合了高水平的性能和低噪聲系數(shù)。

不過，HEMT 與其他類型的 FET 器件有些不同，它的性能優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)結(jié)或 MOSFET。這些獨特的器件在微波射頻 （RF） 應(yīng)用中表現(xiàn)出色。來自 n 型區(qū)域的電子穿過晶格，許多電子保持在異質(zhì)結(jié)附近（異質(zhì)結(jié)是指通過兩個或多個半導(dǎo)體的接觸耦合形成的界面區(qū)域）。這種只有一層厚的電子形成二維電子氣體。

650V GaN HEMT 的開關(guān)能量 （E_sw） 是在硬開關(guān)條件下測量的。它可以與具有相同額定電流的 1,200 V 和 650 V SiC-MOSFET 進行比較。在這種情況下，GaN HEMT 器件的 E_sw 小于 1,200 V SiC MOSFET，而 1,200 V SiC MOSFET 又小于 650 V SiC MOSFET。

GaN 開關(guān)器件⁷ 支持高頻和千瓦級功率轉(zhuǎn)換。這些器件加上遷移率、擊穿場和速度等材料特性，可實現(xiàn)高功率開關(guān)等應(yīng)用，并具有遠(yuǎn)高于硅基功率器件的 100 倍性能優(yōu)勢（V_BR²/R_開啟）。

GaN 器件將低損耗開關(guān)性能和高速完美結(jié)合，是能夠在兆赫茲地區(qū)實現(xiàn)超高帶寬的新興開關(guān)電源。這些類型的電源可以提高整體效率，從而為射頻基站功率放大器以及相控陣?yán)走_的發(fā)射/接收 （T/R） 模塊等應(yīng)用提供快速瞬態(tài)響應(yīng)。

通過使用 GaN 開關(guān)進行設(shè)計，例如使用超高帶寬功率調(diào)節(jié)器，設(shè)計人員可以輕松實現(xiàn)直流偏置電壓調(diào)制，甚至轉(zhuǎn)換速率遠(yuǎn)高于 100 A/μs 的脈沖負(fù)載電流。

GaN：在電力電子領(lǐng)域大放異彩

開關(guān)速度將能夠達到 10 MHz，從而使系統(tǒng)功率密度高于 500 W/in。² 以及 10 kW/lb 的功率重量比。GaN HEMT 還可以達到高于 600 V 的阻斷電壓，非常適合高壓開關(guān)作。此外，具有低導(dǎo)通電阻的大電流器件在硅和 SiC 襯底上采用了 GaN HEMT 技術(shù)，其最大電流遠(yuǎn)高于 30 A。

GaN FET 為實現(xiàn)高功率密度提供了最佳途徑

GaN FET 的功率密度是硅晶體管的兩倍，磁性元件可以小 6 倍，而且非?？煽?。^8、9、10

例如，LLC 轉(zhuǎn)換器是一種諧振逆變器，可用于電氣設(shè)備和電源。^10,11 首字母縮略詞“LLC”代表三個主要組件：兩個電感器 （L） 和一個電容器 （C）。

LLC 以其調(diào)節(jié)電流和電壓的有效性而聞名。其工作原理依賴于諧振電路，該電路可實現(xiàn)軟開關(guān)作，同時降低開關(guān)損耗。GaN 卓越的開關(guān)特性將顯著降低 LLC 應(yīng)用的柵極驅(qū)動器損耗和關(guān)斷損耗。1 MHz 頻率會縮小磁性元件（見圖）。

英飛凌

LLC 轉(zhuǎn)換器的工作取決于諧振電路，該電路可實現(xiàn)軟開關(guān)作，同時降低開關(guān)損耗。GaN 卓越的開關(guān)特性將顯著降低 LLC 應(yīng)用的柵極驅(qū)動器損耗和關(guān)斷損耗。1 MHz 頻率會縮小磁性元件的尺寸。

LLC 轉(zhuǎn)換器可以將線性網(wǎng)絡(luò)（即諧振電路和變壓器）與無源和有源開關(guān)相結(jié)合。LLC 諧振轉(zhuǎn)換器與標(biāo)準(zhǔn)開關(guān)轉(zhuǎn)換器完全不同，因為它能夠通過為開關(guān)信號選擇合適的頻率來控制輸出電壓。

功率轉(zhuǎn)換器的 DOSA 標(biāo)準(zhǔn)化

分布式電源開放標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟 （DOSA） 促進了電源轉(zhuǎn)換器的 DC-DC 產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化和兼容性。^12,13 聯(lián)盟的目標(biāo)是在早期開發(fā)周期中建立客戶接口標(biāo)準(zhǔn);這包括引腳布局、外形尺寸、功能集、封裝和其他能夠允許替代采購的參數(shù)。

DOSA 涵蓋廣泛的電源轉(zhuǎn)換器。它們包括非隔離式負(fù)載點 （POL）、隔離式應(yīng)用和中間總線轉(zhuǎn)換器。

2004 年，針對大電流四分之一磚的 DOSA 標(biāo)準(zhǔn)與競爭設(shè)計相比具有許多優(yōu)勢。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了添加的引腳的功能和位置——兩個額外的電源引腳位于 0.15 英寸。（3.81 毫米）位于 2004 年四分之一磚電源引腳位置之外，并與 2004 年四分之一磚電源引腳位置保持一致。

此外，額外的 output pins 利用了其相鄰 power pin的相反極性。從轉(zhuǎn)換器到電路板再到轉(zhuǎn)換器的整體環(huán)路電感降低了 10 倍。這增強了模塊的瞬態(tài)響應(yīng)性能，降低了輸出紋波，并改善了引腳之間的負(fù)載電流平衡。

額外的輸出引腳也降低了負(fù)載板的總功耗，從而提高了熱性能，降低了擁有成本，并增強了可靠性。由于兩個額外的輸出引腳未位于現(xiàn)有引腳后面，因此減輕了返工和目視檢查的負(fù)擔(dān)。其余的 pins保持與當(dāng)前四分之一磚標(biāo)準(zhǔn)相同的布局和功能，這簡化了電路板布局，因此兩種類型的模塊都可以使用。

在過去十年中，1/8 DOSA 功率磚型 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的最大輸出功率從 300 W 增加到 600 W，同時保持了 95% 至 97% 的峰值效率。

GaN 的高效率

GaN FET 以及集成柵極驅(qū)動器和 GaN 功率器件通常會導(dǎo)致最高效率的 GaN 解決方案。GaN 晶體管的開關(guān)速度比硅 MOSFET 快得多，同時帶來更低的開關(guān)損耗。GaN 功率級將適用于廣泛的應(yīng)用，從電信、電機驅(qū)動器和服務(wù)器到筆記本電腦適配器和電動汽車的車載充電器。