设计宽带半导体功率电路的工程师经常会犯与晶体管开关特性有关的代价高昂的错误。

本文作者朱利安•斯泰尔斯(Julian Styles)是氮化镓系统 (GaN Systems)美洲地区销售与市场总监

 

在电力电子的世界里,我们需要面对关于我们自己的一个尴尬事实。所以我想请你们在短时间内试着完全开放自我,坦诚相见。

你们对体二极管有误解吗?

许多工程师误解了二极管。关于这种困惑是如何开始的,我们都有类似的故事。

MOSFETs有一个非常有用的性质;也就是说,当VGS=0时,它们仍然反向传导。它们这样做是因为它们在源极和漏极之间有一个寄生二极管,叫做本征体二极管。在学习电力电子学时,我们都发现MOSFET可以反向传导(因为它们有一个体二极管),而IGBT不能(因为它们没有)。因为“反向电流路径与门关闭”有点拗口,我们都习惯把这种效果称为“身体二极管”。几十年来,一切都很好。然后新的宽带隙器件出现了。由于它们的结构,有些没有寄生二极管。但它们仍然具有与MOSFET相同的有用特性:当VGS=0时,它们反向传导。最值得我们注意的是,GaN – hemts具有这种特性。

于是就产生了迷惑。

我和我的同事们已经和工程师们开过很多很多次会议,他们认为,由于GaN设备没有体二极管,所以它们不会反向传导。我们有过无数类似的对话:

工程师:“所以GaN设备没有体二极管?”

我:“是的。”

工程师:“所以他们不能在没有VGS的情况下进行反向指挥?所以我需要加一个反平行二极管?”

我:“不对。”

工程师的头爆炸了。

现在是时候更新我们的术语了,这样我们就可以准确地引用反向传导路径,理解为什么体二极管不是这个特性所必需的,甚至可以理解GaN器件没有体二极管给世界带来的好处。

到底发生了什么

在GaN E-HEMTs中,在藻类/GaN异质外延结构上形成的横向二维电子气体(2DEG)通道提供了极高的电荷密度和迁移率。对于增强模式的操作,栅极以0伏或负偏压从本质上耗尽栅极下面的2度。正极栅偏置将电子吸引到耗尽区,并打开2DEG通道。在正向传导(第一象限)中,这种行为与MOSFET的工作原理非常相似,但具有更好的开关性能。

在第三象限((VGS =0, VDS为负值),设备的行为与MOSFET不同。简而言之,漏极上的负偏置在器件通道中产生了电压梯度。这进而导致栅极下的耗尽区相对于栅极具有负电位。换句话说,GaN HEMT的排水将作为源,源将作为排水。一旦栅极和通道之间的电位差超过了器件的阈值电压(VTH_GD),器件就会打开,这种效应有时被称为“自换相”。因为这个装置是传导电流的,所以I,通过它的(电阻)通道,Ron,电压降D是D = VTH_GD + IRon。

如果器件以负电压关断,则自换相发生前漏极必须更负,总电压降DT为

IR curves

GaN系统的应用说明GN001的图表显示了不同VGS值的红外曲线。

现在是忏悔时间。GaN设备制造商推动延续我们对反向传导路径的误解

多年来,GaN制造商采用了两种主要方法来解释他们的设备在反向偏置VGS=0时的行为。首先,一些制造商只是一直使用“体二极管”这个术语。他们解释说,GaN设备有一个神奇的身体二极管,QRR (反向恢复电荷)为零,电压降高得惊人。这不是真的,而是虚构出来的,这样做的目的是使得设计师大部分时间内设计出的电路是成功。

第二,一些制造商会发布有关设备表现的详细文档,期望工程师会仔细阅读手册,意识到潜在的错误,在思考技术时改变思维方式。这是很好很诚实的方法。然而总的来说,工程师也是人,很难改变根深蒂固的习惯。

如您所料,这些方法导致了混乱的结果。直到今天,GaN系统的现场应用工程师看到的客户设计示意图仍显示我们的设备添加了反平行二极管以提供一个自由的电流路径。

无体二极管的优点

遗憾的是,这种对GaN设备缺乏体二极管的误解一直存在。毕竟,没有体二极管的反向传导确实是有一些真正的好处。

Reverse_recovery_performance

一个典型的MOSFET和E-HEMT的开关波形说明了由体二极管引起的打开行为的一些差异。

首先,没有体二极管意味着没有QRR,使得GaN适合于半桥硬开关。反过来,这意味着没有额外的硬整流由于二极管反向恢复,否则会导致更高的开关损耗。GaN的零反向恢复还可以实现新的高效拓扑结构,如无桥式图腾柱PFC(功率因数控制)。

第二,没有体二极管意味着当体二极管打开时没有二极管噪声的爆发。这使得EMI设计更简单,性能也更好。在功率转换和信号处理都在同一个小PCB上的紧凑设计中尤其有用。
最后,dv/dt限制和可靠性也有好处。高的dv/dt导致了MOSFET体二极管的失效。当体二极管处于反向恢复时,其漏源极电压升高。这种行为会导致内部寄生的NPN双极晶体管的错误启动,从而破坏MOSFET。

没有体二极管确实只有一个缺点:较高的反向电压降。GaN E-HEMT的反向电压降包括由通道电阻和阈值电压产生的电阻元件。当传导大电流时,650伏GaN – hemt的电压降可达3v,大于MOSFET的等效电压降。这种更高的反向电压降有可能通过增加典型的半桥电路的停滞时间来降低效率。

reverse conduction

mosfet与GaN HEMTs反向传导的区别。

幸运的是,这些损失可以通过缩短停滞时间来减少。GaN – hemts的快速切换行为通常简化了缩短停滞时间的任务。此外,用于GaN设备的嵌入式包(如GaN 系统 GaNPx包)具有较低的寄生电感,这确保了可靠的切换过渡和较短的停滞时间。

一般来说,GaN电路实现的效率增益来自于缩短停滞时间,远远大于更高的反向电压降带来的损失。随着新一代驱动程序和控制器越来越多地支持更短的停滞时间,实现这种效率增益就更容易了。

值得注意的是,短暂的停滞时间也有其他好处。例如,在D类音频放大器中,较短的停滞时间带来较低的谐波失真和较高的音频质量。

那些想要摆脱“极体扭曲错误”的污名,并创造出高效低成本的优化设计的人来说可找到很多帮助。我们总能设计出印有“我没有身体(二极管)”和“问我关于反向传导的问题”等标语的t恤。好了不开玩笑。至少在下一次电力设备的进化触发一套新的定义之前,更好地理解体二极管和清楚解释GaN设备如何运作有助于消除困惑。
 

参考文献

设计/高侧驱动的考虑

推荐的GaN驱动/控制器集成电路

设计例子

常见问题页面

 

Coverage: 报道:Powerelectronictips.com, DesignWorldOnline.com (第12-14页)