GaN與Si器件在DC/DC變換器中的性能分析

高 瑩

（臺(tái)達(dá)電子企業(yè)管理（上海）有限公司，上海 201209）

0 引 言

近年來(lái)，硅基半導(dǎo)體材料在材料特性上已接近物理極限，第三代半導(dǎo)體（以SiC 和GaN 為主）又稱(chēng)寬禁帶半導(dǎo)體，禁帶寬度在2.2 eV 以上，具有高擊穿電場(chǎng)、高飽和電子速度、高熱導(dǎo)率、高電子密度以及高遷移率等特點(diǎn)，逐步受到重視。

隨著產(chǎn)業(yè)變革的到來(lái)，第三代半導(dǎo)體（SiC 和GaN）的性能優(yōu)勢(shì)逐漸凸顯，已經(jīng)滲入多個(gè)應(yīng)用市場(chǎng)，汽車(chē)逆變器中SiC 功率器件已經(jīng)占有一定地位，快充領(lǐng)域也開(kāi)始大量使用GaN 功率器件。

此外，GaN 功率器件正在逐步滲入650 V 以下的應(yīng)用領(lǐng)域。其中，以數(shù)據(jù)中心、云計(jì)算、服務(wù)器等為終端應(yīng)用的48 V 系統(tǒng)，由于其追求高效率、小體積、低成本等要求，能夠?qū)崿F(xiàn)高功率密度的GaN 功率器件已經(jīng)成為其下一代產(chǎn)品的研發(fā)重點(diǎn)。

1 GaN 與Si 功率開(kāi)關(guān)器件參數(shù)比較

1.1 材料性能比較

在半導(dǎo)體材料中，第一代是以硅（Si）、鍺（Ge）材料為主的傳統(tǒng)半導(dǎo)體，第二代是以砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）為代表的化合物半導(dǎo)體，第三代是以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）為代表的寬禁帶半導(dǎo)體。

表1 對(duì)比了第一代半導(dǎo)體Si 與第三代半導(dǎo)體SiC和GaN 的材料性能差異。GaN 材料的禁帶寬度是Si材料的3 倍，電子遷移率也遠(yuǎn)高于Si 材料，臨界擊穿電場(chǎng)是Si 材料的10 倍，飽和漂移速度是Si 材料的3 倍。其中電子遷移率越高，代表相同單位該材料所制成功率器件的Rdson 越低；飽和遷移率越高，則代表材料的高頻特性越好且Rdson 也可以越低；而更高的熱導(dǎo)率代表材料能夠承受更高的溫度環(huán)境[1]。

表1 半導(dǎo)體材料性能比較

1.2 器件參數(shù)比較

比較GaN 與Si 功率器件在低壓DC/DC 應(yīng)用中的參數(shù)差異，從參數(shù)對(duì)比中可以看到，GaN 器件在體積減小66%的情況下，其靜態(tài)參數(shù)和動(dòng)態(tài)參數(shù)均有不同程度的減小。其中，導(dǎo)通阻抗Rdson的減小直接降低導(dǎo)通損耗；Qg的減小可以降低其驅(qū)動(dòng)電流，從而減小驅(qū)動(dòng)損耗；對(duì)于體現(xiàn)反向恢復(fù)特性的參數(shù)Qrr，GaN 材料被認(rèn)為沒(méi)有反向恢復(fù)問(wèn)題（Qrr基本為0）。綜上，GaN 功率器件的參數(shù)特性極大地減小了功率器件在開(kāi)關(guān)電源中的導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗。

1.3 應(yīng)用領(lǐng)域

近些年，GaN在消費(fèi)領(lǐng)域已經(jīng)爭(zhēng)得一席之地。另外，云計(jì)算、人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)以及多用戶(hù)游戲等先進(jìn)計(jì)算應(yīng)用對(duì)功率轉(zhuǎn)換器的要求日益增高，而硅基功率轉(zhuǎn)換器不能滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的功率需求。因此，面向48 V 功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用，氮化鎵器件也可提高其效率、縮小尺寸并降低系統(tǒng)成本。

未來(lái)，隨著GaN 功率器件的技術(shù)不斷突破，氮化鎵功率電子器件的市場(chǎng)將由以下5 大應(yīng)用牽引：目前滲透率較大的（小型）電源設(shè)備、無(wú)線(xiàn)電源、滲透率中等的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心、未來(lái)有較大市場(chǎng)可能的新能源汽車(chē)以及（汽車(chē)）激光雷達(dá)等[2]。

2 DC/DC 變換器實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

2.1 拓?fù)溥x擇與損耗分析

實(shí)驗(yàn)基于LLC 電路作為DC/DC 變換器的主功率電路（如圖1 所示），并且與對(duì)比實(shí)驗(yàn)使用完全相同的控制器件與相關(guān)回路。圖1 中，Q1～Q4為全橋LLC電路的原邊功率管，SR1～SR4為副邊整流功率管，Lr、Cr為諧振器件[3]。

圖1 LLC 電路拓?fù)涞闹麟娐?/p>

假設(shè)變換器的工作狀態(tài)相同，僅有功率器件不同，可以忽略其他部分的損耗差異，則變換器的損耗差異主要包括導(dǎo)通損耗與開(kāi)關(guān)損耗。下面對(duì)功率器件損耗進(jìn)行定性分析。

（1）導(dǎo)通損耗。Q1～Q4、SR1～SR4在導(dǎo)通期間，流經(jīng)功率器件的電流包含直流負(fù)載電流和紋波電流2部分內(nèi)容，則損耗為

式中：D為變換器的占空比；IL為電感電流；Iacrms為紋波電流。

（2）開(kāi)關(guān)損耗。原始應(yīng)用Si-MOSFET 功率器件的LLC 諧振變換，當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率與諧振頻率相等，電路工作在諧振頻率點(diǎn)時(shí)，可以消除功率器件的反向恢復(fù)損耗，即原邊開(kāi)關(guān)管工作在零電壓開(kāi)關(guān)（Zero Voltage Switch，ZVS）模式，同時(shí)整流電路因?yàn)楣ぷ髟跀嗬m(xù)條件而實(shí)現(xiàn)零電流模式。但是GaN 功率器件的寄生電容及柵極電荷極小，較Si 功率器件的開(kāi)通關(guān)斷過(guò)程性能更優(yōu)。

當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率大于諧振頻率時(shí)，由于Lm不能參加諧振，整流功率器件因工作在連續(xù)的電流模式下而不能像上面一樣實(shí)現(xiàn)零電流模式工作，因此必然會(huì)產(chǎn)生反向恢復(fù)損耗。然而GaN功率器件優(yōu)異的第三象限（反向）特性，使得其省略了這部分損耗[4]。

綜合功率器件開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通損耗、關(guān)斷損耗、柵極驅(qū)動(dòng)損耗作為開(kāi)關(guān)損耗進(jìn)行理論分析。開(kāi)關(guān)損耗為

GaN 功率器件具有極小的極間電容和柵極電荷，在LLC 電路拓?fù)渲械拈_(kāi)關(guān)損耗也能更低。電路中其他部分的損耗因參數(shù)設(shè)計(jì)均相同，差異相對(duì)較小，這里不做詳細(xì)分析[5]。

2.2 實(shí)驗(yàn)器件選擇與損耗分析

根據(jù)分析結(jié)果，為了降低損耗使DC/DC 變換器的效率提高，需要選擇導(dǎo)通電阻低、柵極電荷小的功率器件。Q1～Q4的Si 功率器件選擇Infineon的BSZ070N08LS5，GaN 功率器件選擇EPC 的EPC2045；SR1～SR4的Si 功率器件選擇Infineon 的BSC010N04LSI，GaN 功率器件選擇EPC 的EPC2024，驅(qū)動(dòng)電路分別選擇LM5101 和UP1966A。為了最大限度提升DC/DC 變換器的功率密度，變換器輸入輸出電容選用目前磚塊電源常用的片式多層陶瓷電容（Multi-Layer Ceramic Capacitors，MLCC），且2 個(gè)對(duì)比變換器的容量設(shè)置相同。變壓器選擇鐵氧體磁芯材質(zhì)，匝數(shù)及感量設(shè)置相同，并以集成線(xiàn)圈的方式安置在印刷電板（Printed Circuit Board，PCB）上。

通過(guò)PCB 的優(yōu)化，減少寄生參數(shù)，搭建成全橋LLC 變換器的實(shí)驗(yàn)電路模塊平臺(tái)。DC/DC 變換器輸入電壓為48 ～60 V，輸出電壓為12 V，最大輸出功率為600 W，變換器頻率為1 MHz。

根據(jù)粗略計(jì)算，在Uin=48 V、Uout=12 V、Pout=600 W、100%負(fù)載情況下，損耗分布估算如表2 所示。

表2 損耗分析

2.3 測(cè)試結(jié)果

圖2 和圖3 分別是Uin=48 V、Uout=12 V、Pout=600 W 時(shí)，Si 功率器件和GaN 功率器件電路的實(shí)測(cè)波形。UQ1為原邊開(kāi)關(guān)管的Uds波形，USR1和USR4分別為副邊整流開(kāi)關(guān)管的Uds波形。從實(shí)測(cè)波形中可以看出，Si 功率器件的過(guò)沖更大，而GaN 功率器件的過(guò)沖相對(duì)較小。

圖2 Si 功率器件波形

圖3 GaN 功率器件波形

圖4 是Uin=48 V 時(shí)，2 個(gè)變換器的效率和損耗隨著輸出功率變化的曲線(xiàn)。由此可見(jiàn)，在輕載期間，GaN 與Si 功率器件變換器的效率都較低；而隨著輸出功率的上升，效率均在50%～70%負(fù)載期間達(dá)到峰值，隨后再緩慢下降。其中GaN 變換器的峰值效率達(dá)到96.8%，而Si 變換器為96.1%，效率提高0.7%。2個(gè)變換器模塊的損耗均隨著輸出功率的增大而增加，且GaN 變換器的損耗增加比Si 變換器小。

圖4 Vin=48 時(shí)效率及損耗

事實(shí)上，本實(shí)驗(yàn)在可控變量的前提下，為了增加GaN 和Si 的對(duì)比性，并沒(méi)有將GaN 功率器件的優(yōu)勢(shì)完全發(fā)揮，還有很大的優(yōu)化空間。例如，GaN 功率器件的頻率仍可再調(diào)高，而GaN 在高頻時(shí)仍可保持較高的轉(zhuǎn)換效率，Si 則會(huì)隨著頻率的升高而降低；同時(shí)，GaN 應(yīng)用方案中磁件和濾波電容的尺寸均可有一定程度的減小。另外，所選擇的GaN 器件本身尺寸也小于Si 器件，因此實(shí)際上有更多的空間可以用來(lái)優(yōu)化PCB 線(xiàn)路，以達(dá)到更優(yōu)的性能。

3 結(jié) 論

比較了GaN與Si功率器件的材料性能、器件參數(shù)，并在48 V DC/DC 變換器應(yīng)用中進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證。結(jié)果表明，GaN 功率器件可以降低變換器的導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗，提高開(kāi)關(guān)頻率，減小電路板尺寸，無(wú)論在器件參數(shù)上，還是應(yīng)用電路性能及靈活性，較Si 功率器件仍有很大優(yōu)勢(shì)和提升空間。

未來(lái)，隨著GaN 材料性能的進(jìn)一步挖掘和工藝制程的進(jìn)一步提升，GaN 功率器件在DC/DC 變換器中的高功率密度應(yīng)用將逐步替代Si 功率器件，以實(shí)現(xiàn)DC/DC 變換器的新一代高功率密度產(chǎn)品升級(jí)。