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GaN技术概述
来源:与非网 时间:2016-05-13

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%。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, 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。 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,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。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。 还介绍了GaN器件出色的开关特性,以及应用优势。

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。

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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