电源部分通常占据很大比例的设计的房地产。它们不仅占据了大部分空间，而且严重影响了系统的性能。gydF4y2Ba
努力提高系统级性能往往需要改进电力系统。这些改进，通常被认为是性能指标(FOM)，以更小的电路的形式出现，以更高的效率工作，同时产生更低的系统噪声，包括电磁型噪声(EMI)，以及输出电压噪声。gydF4y2Ba
氮化镓技术已经取得了巨大的进步，这有望改善FOM。关于GaN on Si和GaN on SiC不断发展的最新技术，已经发表了大量文章，其中大部分与开关稳压器有关。在线性应用(如ldo)中，与这些器件相关的出版物较少。gydF4y2Ba
另一个很少受到关注的领域是从硅功率金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)器件向氮化镓(GaN)高电子迁移率晶体管(HEMT)器件的迁移。在20世纪80年代，技术开始从双极结晶体管迁移到MOSFET器件，这是电力电子开关的主要材料。硅MOSFET器件提供了许多改进，例如更简单的驱动要求，更低的导通状态损耗和更快的开关。事实证明，迁移比预期的要困难得多。硅MOSFET器件更快的开关保证了更低的开关损耗，但也存在与硅MOSFET器件更高的di/dt相关的困难。磁性和相对电感印刷电路板平面的漏感允许较大的电压尖峰，这经常导致设备故障。随着时间的推移，工程师们学会了为增加di/dt和Si MOSFET的发展而设计，这支持了性能的不断提高。当我们现在接近硅MOSFET性能的理论极限时，GaN有望提供前进的道路。gydF4y2Ba
本文不是关于GaN HEMT提供的改进，因为我们已经说过很多关于这个主题的文章。本文讨论了迁移路径和尝试将当前最先进的设计从现有的Si MOSFET器件迁移到当前一代GaN HEMT器件时可能面临的复杂性。本文讨论了线性稳压器技术和开关稳压器技术，它们都有自己的迁移路径和挑战。gydF4y2Ba
氮化镓gydF4y2Ba
多年来，我们已经看到了使用少数载流子双极结晶体管(BJT)器件的功率晶体管向基于多数载流子的器件(如金属氧化物硅场效应晶体管(mosfet))的发展。下一个重大变化似乎指向高电子迁移率晶体管(HEMT) GaN器件。gydF4y2Ba
本节将GaN与硅在材料和器件层面进行比较。本文只考虑增强模式GaN (eGaN)器件结构，因为本文的重点是DC/DC VRMs和线性稳压器。gydF4y2Ba
材料特性gydF4y2Ba
硅和氮化镓的一些材料特性列于下表[1]。gydF4y2Ba
参数gydF4y2Ba |
硅gydF4y2Ba |
氮化镓gydF4y2Ba |
带隙EgydF4y2BaggydF4y2Ba(eV)gydF4y2Ba |
1.12gydF4y2Ba |
3.39gydF4y2Ba |
临界场EgydF4y2Ba暴击gydF4y2Ba(MV /厘米)gydF4y2Ba |
0.23gydF4y2Ba |
3.3gydF4y2Ba |
电子迁移率µgydF4y2BangydF4y2Ba(cmgydF4y2Ba2gydF4y2Ba/ vs)gydF4y2Ba |
1400gydF4y2Ba |
1500gydF4y2Ba |
介电常数εgydF4y2BargydF4y2Ba(F / m)gydF4y2Ba |
11.8gydF4y2Ba |
9gydF4y2Ba |
表1:Si和GaN的关键材料性能比较gydF4y2Ba
氮化镓是一种高带隙半导体，其带隙电压EgydF4y2BaggydF4y2Ba，比Si高得多。这导致更低的泄漏电流和更高的工作温度能力。类似地，关键场参数EgydF4y2Ba暴击,gydF4y2Ba在GaN中要高得多，导致eGaN HEMT的漏源击穿电压更高。gydF4y2Ba
除了较高的电子迁移率外，介电常数和临界场参数也是影响抗冲击性能的因素，是驱动功率转换过程中传导损耗的重要参数。gydF4y2Ba
电特性gydF4y2Ba
晶体管的电特性是影响电路级电性能的方面。一些电气特性[2]、[3]的性能比较列在表中，并在下面进行讨论。gydF4y2Ba
参数gydF4y2Ba |
硅MOSFETgydF4y2Ba (英飞凌BSC060N10NS3G)gydF4y2Ba |
伊根HEMTgydF4y2Ba (EPC2001)gydF4y2Ba |
泄漏电流gydF4y2Ba |
1000µgydF4y2Ba |
300µgydF4y2Ba |
导通电阻gydF4y2Ba |
6.6ΩgydF4y2Ba |
5.6ΩgydF4y2Ba |
电容gydF4y2Ba |
3700 pFgydF4y2Ba |
850 pFgydF4y2Ba |
栅极电荷QgydF4y2BaGgydF4y2Ba |
51数控gydF4y2Ba |
8数控gydF4y2Ba |
二极管正向电压，VgydF4y2BaSDgydF4y2Ba |
0.8 vgydF4y2Ba |
1.75 vgydF4y2Ba |
反向回收装药QgydF4y2BarrgydF4y2Ba |
6.4µCgydF4y2Ba |
54数控gydF4y2Ba |
反向恢复时间tgydF4y2BarrgydF4y2Ba |
630纳秒gydF4y2Ba |
30 nsgydF4y2Ba |
跨导GgydF4y2BafsgydF4y2Ba |
85年代gydF4y2Ba |
100年代gydF4y2Ba |
源漏正向电压，VgydF4y2BaSDgydF4y2Ba |
1 VgydF4y2Ba |
1.75 VgydF4y2Ba |
阈值电压变化超过温度25gydF4y2Ba0gydF4y2Ba到125年gydF4y2Ba0gydF4y2Ba |
减少38%gydF4y2Ba |
增加3%gydF4y2Ba |
最大交换速度gydF4y2Ba |
< 1 mhzgydF4y2Ba |
100兆赫gydF4y2Ba |
包大小gydF4y2Ba |
6.3 x 5.0 mmgydF4y2Ba |
4.1 x 1.6 mmgydF4y2Ba |
表2:100V额定Si MOSFET与增强型GaN HEMT关键电参数比较gydF4y2Ba
击穿电压和漏电流gydF4y2Ba：gydF4y2Ba
当外加电场超过材料参数临界场E时，晶体管发生击穿gydF4y2Ba暴击gydF4y2Ba。从E时代开始gydF4y2Ba暴击gydF4y2Ba，如表2所示，击穿电压VgydF4y2BabrgydF4y2Ba，gydF4y2Ba
在eGaN hemt中往往更高。gydF4y2Ba
（1)gydF4y2Ba
eGaN HEMT的高击穿电压允许在切换瞬态期间增加超调条件的裕度。gydF4y2Ba
漏源漏电流会导致功率损耗增加。如前所述，eGaN HEMT器件具有较低的泄漏电流，这是由于更高的带隙EgydF4y2BaggydF4y2Ba。gydF4y2Ba
阈值电压:gydF4y2Ba
阈值电压是设备关闭的电压。它与结温有关。增强模式GaN (eGaN) HEMT器件在这方面往往表现更好。VgydF4y2BathgydF4y2Ba例如，当温度从25度变化到125度时，硅器件的温度下降了38%，而eGaN器件的温度增加了3%。gydF4y2Ba
栅极驱动电压:gydF4y2Ba
对于eGaN HEMT，标称栅极驱动电压为5V，而最大额定电压为6V。只剩下1V的余量。与Si mosfet相比，这是一个更严格的要求，并且需要栅极驱动导通控制回路的阻尼。gydF4y2Ba
对于迁移来说，更重要的是，目前只有少数可用的控制器具有与eGaN HEMT驱动要求兼容的栅极电压输出。gydF4y2Ba
导通电阻:gydF4y2Ba
导通电阻对导通损耗有直接影响。eGaN HEMT的导通电阻较低，导通损耗较小gydF4y2Ba气孔导度gydF4y2Ba，并提供更高的转换效率。gydF4y2Ba
（2）gydF4y2Ba
电容和电荷:gydF4y2Ba
eGaN hemt可以被描述为具有栅极到源、栅极到漏极和栅极到源电容，如下图所示。电容是决定器件开关速度的重要因素，因此也决定了相关的开关损耗。当电容减小时，速度增加，如eGaN的情况。gydF4y2Ba
除了较低的输出电容外，eGaN导通所需的栅极电荷也较低，从而实现更快的转换和开关速率。在我们比较DRMOS与eGaN LTC3891板的实验中，我们注意到eGaN HEMT器件的驱动器工作电流为26mA, Si MOSFET器件的驱动器工作电流为50mA，因此这是极低栅极电荷的好处之一。gydF4y2Ba
除了低栅极电荷外，没有反向恢复电荷QgydF4y2BaRRgydF4y2Ba= 0,gydF4y2Ba
在eGaN HEMT。因此，基于eGaN的稳压器设计没有反向恢复功率损失，这是提高功率转换效率的显著优势。gydF4y2Ba
图1:eGaN晶体管等效电容模型gydF4y2Ba
辐射公差:gydF4y2Ba
eGaN HEMT天生就更耐辐射。对于要进行辐射硬化的Si mosfet，栅极氧化物需要很厚，因此需要捕获大量电荷，从而导致阈值电压等参数的大位移，这可能导致场故障。因此，辐射硬化硅mosfet往往具有更低的开关频率，更低的效率和更大的尺寸。gydF4y2Ba
包装:gydF4y2Ba
eGaN HEMT器件的尺寸比Si MOSFET器件小，因为其芯片尺寸更小。高效封装也采用了芯片级LGA封装。这导致eGaN HEMT在印刷电路板(PCB)上占用的总体尺寸显着减少。例如，在上表中，eGaN器件的面积比Si器件小近5倍。gydF4y2Ba
线性稳压器gydF4y2Ba
线性稳压器主要用于工作电流水平较低或电压轨噪声必须保持在最低水平的应用中。由于线性稳压器通常比开关稳压器具有更高的输出阻抗，因此这些降噪通常是通过缺乏开关纹波和相关的尖峰噪声来实现的。提高电源抑制比(PSRR)通常也是一个好处。然而，由于线性稳压器具有较高的阻抗，因此动态负载电流引起的噪声通常较高。gydF4y2Ba
线性稳压器的重要FOM包括输出阻抗、压降电压(净空)、PSRR和某些应用的辐射灵敏度。为了确定哪个设备提供更好的性能，要考虑这些FOM中的每一个。大多数是由通路器件驱动的，要么是Si MOSFET，要么是eGaN HEMT。然后考虑通路晶体管的要求，以便评估可能具有挑战性的迁移路径复杂性。gydF4y2Ba
线性稳压器的主要设计元件是通断元件、带隙基准电压和误差放大器。通程元件晶体管在线性区域工作。gydF4y2Ba
监管机构分布gydF4y2Ba |
Key Pass设备参数gydF4y2Ba |
如果MOSFETgydF4y2Ba |
伊根HEMTgydF4y2Ba |
赢家gydF4y2Ba |
输出阻抗gydF4y2Ba |
跨导gydF4y2Ba |
较低的gydF4y2Ba |
更高的gydF4y2Ba |
伊根gydF4y2Ba |
压差gydF4y2Ba |
RgydF4y2BaDSongydF4y2Ba |
更高的gydF4y2Ba |
较低的gydF4y2Ba |
伊根gydF4y2Ba |
PSRRgydF4y2Ba |
结电容gydF4y2Ba |
更高的gydF4y2Ba |
较低的gydF4y2Ba |
伊根gydF4y2Ba |
噪音gydF4y2Ba |
结噪音gydF4y2Ba |
更高的gydF4y2Ba |
较低的gydF4y2Ba |
伊根gydF4y2Ba |
物理尺寸gydF4y2Ba |
电子迁移率击穿场gydF4y2Ba |
较低的gydF4y2Ba 较低的gydF4y2Ba |
更高的gydF4y2Ba 更高的gydF4y2Ba |
伊根gydF4y2Ba 伊根gydF4y2Ba |
辐射宽容gydF4y2Ba |
辐射硬化gydF4y2Ba |
不难gydF4y2Ba |
硬gydF4y2Ba |
伊根gydF4y2Ba |
结温gydF4y2Ba |
RgydF4y2BaθgydF4y2Ba |
较低的gydF4y2Ba |
更高的gydF4y2Ba |
如果gydF4y2Ba |
表3:Si MOSFET和增强模式GaN HEMT线性稳压器设计的优劣值比较gydF4y2Ba
图2:Picotest/EPC线性稳压板:Si RF BJT(左)和eGaN HEMT(右)gydF4y2Ba
现有设计的离散线性调节器迁移路径gydF4y2Ba
在离散线性调节器的情况下，现有设计的迁移路径非常简单，只有几个问题。gydF4y2Ba
- 栅极源电压必须保持在5V以下，否则会损坏eGaN HEMT器件gydF4y2Ba
- 由于没有p通道eGaN HEMT设备，因此只能迁移n通道设计。gydF4y2Ba
- 必须有足够的冷却，以解释由较小尺寸的eGaN HEMT器件产生的较高热阻。gydF4y2Ba
图3:典型的离散线性稳压器电路原理图，表示Si和eGaN器件的常见拓扑结构gydF4y2Ba
对于离散线性调节器，每个优值都被认为是[4]。gydF4y2Ba
输出阻抗gydF4y2Ba
输出阻抗模型现在可以表示为如图4所示。gydF4y2Ba
图4:线性调节器的输出阻抗模型gydF4y2Ba
这些结果清楚地表明，即使没有增加带宽(eGaN HEMT允许)，所有三项在分母中都有Gfs，因此在现有设计中从Si迁移到eGaN都得到了改善。低输出阻抗的好处直接反映在系统性能上。图5中的测量结果显示，与典型的线性稳压器相比，使用较低输出阻抗的eGaN HEMT稳压器大大降低了时钟相位噪声。gydF4y2Ba
图5:由线性稳压器供电的时钟，Si LM317(暗内存迹线)与eGaN(亮数据迹线)的测量相位噪声比较gydF4y2Ba
控制环路带宽GBW可以通过更换控制运放或在某些情况下通过定制频率补偿来显着增加。这两种方法都将进一步改善PSRR。gydF4y2Ba
下面的图6显示了两个调节器的示例，一个使用BJT通断装置，一个使用eGaN HEMT通断装置。gydF4y2Ba
图6:高带宽Si三端稳压器(红色走线)与eGaN(黄色走线)测量输出阻抗的比较gydF4y2Ba
物理尺寸gydF4y2Ba
eGaN HEMT器件输出阻抗较低。这意味着需要更少的外部输出电容来保持稳定的性能。这种较小的外部电容要求可以很容易地满足更小尺寸的电容器。这可以进一步减小调节器电路的整体物理尺寸。gydF4y2Ba
在稳压器输出处看到的输出阻抗很低，其频率响应相当于3.9nH电感的频率响应，考虑到钽电容器的ESL约为3.9nH，这是最小值。这表明eGaN HEMT没有增加额外的电感，需要通过外部电容进行补偿，从而减小了稳压电路的总体尺寸。gydF4y2Ba
低噪音gydF4y2Ba
具有较低阻抗的稳压器在其供电的电路中导致较低的噪声。例如，如图5所示，减小阻抗调节器产生较低的噪声时钟。gydF4y2Ba
压差gydF4y2Ba
压降电压，也称为净空，是稳压器传递负载电流时的最小压降，它可以表示为:gydF4y2Ba
（8）gydF4y2Ba
由于eGaN提供更低的RDSon，因此用eGaN HEMT器件取代现有的Si MOSFET器件，从而改善了降电压性能。gydF4y2Ba
电源脉动抑制比(PSRR)gydF4y2Ba
在稳压器输入端出现的交流电压波动会在输出端产生相应的噪声。PSRR是对拒绝此类输入变化的能力的度量。gydF4y2Ba
（9）gydF4y2Ba
图7:eGaN晶体管等效电容模型gydF4y2Ba
与Si MOSFET相比，eGaN HEMT提供了显着降低的结电容，因此PSRR性能得到了直接改善。同样，通过更换控制运放或在某些情况下通过调整频率补偿，可以显着增加控制环路带宽。这两种方法都可以进一步提高PSRR。gydF4y2Ba
综上所述，线性稳压器迁移很明显，从Si MOSFET到eGaN HEMT的离散线性稳压器迁移很简单，多个FOM显着改善。考虑的只是eGaN设备是否有足够的冷却，以及栅极是否受到保护，以便eGaN栅源电压限值永远不会超过。在许多情况下，可以很容易地增加控制环路带宽，从而实现额外的性能改进。通常还可以降低输出电容，降低成本和重量，同时提高现有设计的可靠性。在使用耐辐射MOSFET的应用中，可以节省大量的成本。gydF4y2Ba
切换监管机构gydF4y2Ba
开关稳压器电路在许多应用中都有发现，主要适用于那些在较高的工作电流水平或那些在效率是至关重要的，输入和输出之间的电压差很高的应用。例如，大降压比变换器通常用作开关稳压器。由于开关稳压器通常作为高速设备的负载点稳压器，因此需要在宽频带内的低输出阻抗和更快的瞬态响应。由于开关稳压器通过周期性地打开和关闭晶体管来工作，因此在输入和输出处产生电压和电流纹波，并且比线性稳压器噪声更大。gydF4y2Ba
开关稳压器的重要参数包括效率、瞬态响应和开关节点波形的信号完整性。这些FOM中的每一个都是针对Si或GaN开关器件参数进行考虑的，以便确定哪个器件提供更好的性能。然后考虑开关晶体管的要求，以便评估迁移路径和可能抑制这种迁移的复杂性。gydF4y2Ba
开关稳压器的主要设计元件是主高侧控制开关、同步低侧整流开关、门控制器、输出电感和电容滤波器。开关元件晶体管在饱和区域工作。gydF4y2Ba
监管机构分布gydF4y2Ba |
关键开关设备参数gydF4y2Ba |
如果MOSFETgydF4y2Ba |
伊根HEMTgydF4y2Ba |
赢家gydF4y2Ba |
效率gydF4y2Ba |
反向导体二极管;gydF4y2Ba 封装电感、电容gydF4y2Ba |
较低的gydF4y2Ba |
更高的gydF4y2Ba |
伊根gydF4y2Ba |
栅极驱动电压超调公差gydF4y2Ba |
栅极驱动电压余量gydF4y2Ba |
较低的gydF4y2Ba |
更高的gydF4y2Ba |
如果gydF4y2Ba |
布局寄生对性能的影响gydF4y2Ba |
栅极驱动电压余量gydF4y2Ba |
较低的gydF4y2Ba |
更高的gydF4y2Ba |
如果gydF4y2Ba |
温度范围gydF4y2Ba |
RDSon和Vth的温度系数gydF4y2Ba |
较低的gydF4y2Ba |
更高的gydF4y2Ba |
伊根gydF4y2Ba |
交换节点波形gydF4y2Ba |
电子迁移率击穿场gydF4y2Ba |
较低的gydF4y2Ba 较低的gydF4y2Ba |
更高的gydF4y2Ba 更高的gydF4y2Ba |
伊根gydF4y2Ba 伊根gydF4y2Ba |
栅极电荷、电容gydF4y2Ba |
栅极电荷、电容gydF4y2Ba |
慢(< 1 mhz)gydF4y2Ba |
快gydF4y2Ba (100兆赫)gydF4y2Ba |
伊根gydF4y2Ba |
大小gydF4y2Ba |
包装时，需要外接元件gydF4y2Ba |
更大的gydF4y2Ba |
小gydF4y2Ba |
伊根gydF4y2Ba |
表4:Si MOSFET和基于增强模式GaN HEMT的开关稳压器设计之间的优劣值比较gydF4y2Ba
图8:12至1V开关稳压器板:第一行为顶视图，第二行为底视图gydF4y2Ba
现有设计的离散开关稳压器迁移路径gydF4y2Ba
在分立开关稳压器的情况下，迁移不是微不足道的，并且在迁移现有设计时存在几个问题。gydF4y2Ba
- eGaN HEMT没有以类似于Si MOSFET的pn结的方式形成的体二极管。然而，eGaN HEMT的导电性与二极管相似，但电压降更高，为2V而不是1V。这在反向导通死区会造成更高的损耗。为了在死区时间内为反向传导电流提供有效的路径，需要增加一个外部肖特基二极管。另一个重要的设计问题是配置门控制器，使其具有尽可能低的死区时间。死区时间越短，反向传导流越少，从而实现更高的转换效率。gydF4y2Ba
- 门源电压必须保持在5V以下，否则会损坏eGaN HEMT器件。大多数电流栅极控制器支持高于7V的更高栅极驱动电压。在迁移设计时，需要将这些电压电平移至5V。在下面的迁移设计图中，反向偏置齐纳二极管完成栅极电平移至5V的功能。gydF4y2Ba
- eGaN HEMT易受电路板布局寄生的影响。与Si MOSFET相比，eGaN HEMT的di/dt和dv/dt速率要高得多，因此容易受到相应的Ldi/dt和Cdv/dt尖峰的影响。栅极驱动器的这种超调可能超过eGaN HEMT推荐的6V，可能会损坏器件，如下图10所示。此外，超调电压会导致功率损失。因此，需要优化PCB板布局以获得合适的eGaN性能。gydF4y2Ba
图9:典型的分立开关稳压器电路原理图gydF4y2Ba
图10:原理图中突出显示了门回路和功率回路的寄生电感;高速eGaN器件可以在漏极电压上产生显着的环，从而产生电磁干扰并增加电压应力。gydF4y2Ba
考虑了离散开关稳压器的关键性能指标。gydF4y2Ba
效率gydF4y2Ba
开关稳压器的功率转换效率取决于晶体管从开到关的转换过程中发生的动态功率损耗，反之亦然。动态功率损耗，gydF4y2Ba
由许多组成部分组成。开关损耗是由瞬态电流引起的。其它损耗包括:与晶体管本征输出电容充放电有关的输出电容损耗;栅极电荷损耗是栅极电荷耗散的能量;低侧晶体管在死区时间内的反向导通损耗;当本体二极管从导通状态过渡到关断状态时，会发生反向恢复损耗。gydF4y2Ba
在哪里gydF4y2Ba
是登机口收费吗?gydF4y2Ba
通过比较下表的损耗，我们可以注意到，在传导损耗得到控制的情况下，基于eGaN器件的开关稳压器的总损耗更低。gydF4y2Ba
监管机构的损失gydF4y2Ba |
关键开关设备参数gydF4y2Ba |
如果MOSFETgydF4y2Ba |
伊根HEMTgydF4y2Ba |
赢家gydF4y2Ba |
开关损耗gydF4y2Ba |
门负责gydF4y2Ba |
较低的gydF4y2Ba |
更高的gydF4y2Ba |
伊根gydF4y2Ba |
反向传导损耗gydF4y2Ba |
RDSongydF4y2Ba |
更高的gydF4y2Ba |
较低的gydF4y2Ba |
如果gydF4y2Ba |
电容损失gydF4y2Ba |
栅极驱动电压余量gydF4y2Ba |
更高的gydF4y2Ba |
较低的gydF4y2Ba |
伊根gydF4y2Ba |
反向恢复损失gydF4y2Ba |
RDSon和Vth的温度系数gydF4y2Ba |
更低，几乎为零。gydF4y2Ba |
更高的gydF4y2Ba |
伊根gydF4y2Ba |
栅电荷损失gydF4y2Ba |
门负责gydF4y2Ba |
较低的gydF4y2Ba 较低的gydF4y2Ba |
更高的gydF4y2Ba 更高的gydF4y2Ba |
伊根gydF4y2Ba 伊根gydF4y2Ba |
表5:Si MOSFET和增强型GaN HEMT开关稳压器的功率损耗比较gydF4y2Ba
物理尺寸gydF4y2Ba
随着向eGaN HEMT的迁移，较小的eGaN HEMT器件封装导致调节器的物理尺寸减小，前提是散热得到处理。另一个可以改善尺寸减小的方面是通过增加开关频率来简化滤波器元件——电感器和电容器。eGaN HEMT器件输出阻抗较低，这意味着通常需要较少的外部输出电容来保持低阻抗和稳定的性能。这样可以进一步减小稳压电路的物理尺寸，节约成本。gydF4y2Ba
交换节点波形gydF4y2Ba
测量交换节点电压是对电源交换机进行的最基本的测量。这通常是从器件的漏极到源极测量的。gydF4y2Ba
eGaN的快速切换揭示了许多测量挑战[5][6]。在DRMOS和eGaN板的测量中，比较了eGaN与Si基稳压器的开关节点波形。发现eGaN波形有更尖锐的过渡。gydF4y2Ba
考虑到电压降压规格为12V至1V，基于Si MOSFET的开关稳压器板- Fairchild DR MOS稳压器迁移到基于EPC eGaN HEMT的开关稳压器。在这些电路板上进行了以下测量。gydF4y2Ba
图11:开关节点波形比较:Si MOSFET和eGaN HEMT稳压器gydF4y2Ba
栅极驱动电压稳定性gydF4y2Ba
在DRMOS和eGaN LTC3891测试板的测量中，比较了eGaN HEMT稳压器与Si MOSFET的栅极驱动波形。对于eGaN HEMT，重要的是要验证PCB布局寄生电感最小化，以保持栅极电压在指定的限制下。下面的测量结果表明，eGaN LTC 3891稳压器上的栅极电压低于6V，即最大允许栅极电压。gydF4y2Ba
图12:栅极驱动波形比较:Si MOSFET和eGaN HEMT开关稳压器gydF4y2Ba
EMIgydF4y2Ba
图8显示了Si MOSFET和eGaN HEMT测试板上的电磁干扰测量结果。测量是未经校准的，使用靠近电路板的h场或e场探头，并按图中所示放置。距测试板约3英尺的伸缩天线也包括在每个测试板上。伸缩天线如下图13所示。gydF4y2Ba
图13:测试装置显示连接在频谱分析仪上的伸缩天线gydF4y2Ba
图14:开关稳压板的发射:基于Si MOSFET和eGaN HEMTgydF4y2Ba
如图14所示，eGaN HEMT和Si MOSFET器件的发射有很大不同，特别是在更高的频率下。由于边缘速度更快，预计eGaN设备将具有更多的高频信号。结果是，eGaN HEMT和Si MOSFET的EMI滤波和筛选要求可能不同，这对现有设计的迁移提出了另一个挑战。gydF4y2Ba
总之，很明显，从现有的Si MOSFET设计到eGaN HEMT的离散开关稳压器的迁移不是微不足道的。迁移是具有挑战性的，因为目前大多数控制器具有超过eGaN额定值的栅极驱动电压，并且现有控制器也具有很长的死区时间，其中eGaN HEMT的反向传导是有损的，从而侵蚀了eGaN HEMT的效率优势。eGaN和Si器件的EMI滤波要求和PCB去耦要求也不同。一般来说，设计必须是eGaN HEMT专用的，以便充分利用eGaN器件的优势:更高的开关速率、功率转换效率和更快的瞬态响应。gydF4y2Ba
结论gydF4y2Ba
我们已经开始探索将现有的基于线性和开关型Si MOSFET的设计迁移到eGaN HEMT技术的潜力。我们已经证明，现有的线性稳压器设计可以直接受益于用eGaN HEMT取代Si BJT或MOSFET。我们还表明，作为这种迁移的一部分，还可以增加调节器的工作带宽，进一步提高性能。gydF4y2Ba
开关设计从Si MOSFET到eGaN HEMT的迁移是复杂的，我们不能仅仅通过将开关从Si更改为eGaN来充分利用eGaN技术。对于开关稳压器，通常需要从一开始就为eGaN设计。eGaN设计提供了巨大的性能改进，尽管这种改进需要仔细设计栅极驱动，死区时间，PCB去耦和EMI滤波以优化效益。这种基于eGaN HEMT的优化开关稳压器设计在大多数情况下优于基于Si MOSFET的解决方案。gydF4y2Ba
参考文献gydF4y2Ba
[1]“高效功率转换的GaN晶体管”，gydF4y2BaAlex Lidow, Johan Strydom, Michael de Rooij, David ReuschgydF4y2Ba
[2]英飞凌BSC060N10NS3G -gydF4y2Ban沟道gydF4y2Ba如果gydF4y2Ba场效应晶体管gydF4y2Ba数据表gydF4y2Ba
[3] EPC2001 -增强型GaN功率晶体管gydF4y2Ba
[4]“eGaN线性稳压器”，中国机械工程，2015gydF4y2Ba
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