GaN與Si器件在DC/DC變換器中的性能分析

高 瑩

（臺達電子企業管理（上海）有限公司，上海 201209）

0 引 言

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

隨著產業變革的到來，第三代半導體（SiC 和GaN）的性能優勢逐漸凸顯，已經滲入多個應用市場，汽車逆變器中SiC 功率器件已經占有一定地位，快充領域也開始大量使用GaN 功率器件。

此外，GaN 功率器件正在逐步滲入650 V 以下的應用領域。其中，以數據中心、云計算、服務器等為終端應用的48 V 系統，由于其追求高效率、小體積、低成本等要求，能夠實現高功率密度的GaN 功率器件已經成為其下一代產品的研發重點。

1 GaN 與Si 功率開關器件參數比較

1.1 材料性能比較

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

表1 對比了第一代半導體Si 與第三代半導體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，電子遷移率也遠高于Si 材料，臨界擊穿電場是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；而更高的熱導率代表材料能夠承受更高的溫度環境[1]。

表1 半導體材料性能比較

1.2 器件參數比較

比較GaN 與Si 功率器件在低壓DC/DC 應用中的參數差異，從參數對比中可以看到，GaN 器件在體積減小66%的情況下，其靜態參數和動態參數均有不同程度的減小。其中，導通阻抗Rdson的減小直接降低導通損耗；Qg的減小可以降低其驅動電流，從而減小驅動損耗；對于體現反向恢復特性的參數Qrr，GaN 材料被認為沒有反向恢復問題（Qrr基本為0）。綜上，GaN 功率器件的參數特性極大地減小了功率器件在開關電源中的導通損耗和開關損耗。

1.3 應用領域

近些年，GaN在消費領域已經爭得一席之地。另外，云計算、人工智能、機器學習以及多用戶游戲等先進計算應用對功率轉換器的要求日益增高，而硅基功率轉換器不能滿足日益增長的功率需求。因此，面向48 V 功率轉換應用，氮化鎵器件也可提高其效率、縮小尺寸并降低系統成本。

未來，隨著GaN 功率器件的技術不斷突破，氮化鎵功率電子器件的市場將由以下5 大應用牽引：目前滲透率較大的（小型）電源設備、無線電源、滲透率中等的數據存儲中心、未來有較大市場可能的新能源汽車以及（汽車）激光雷達等[2]。

2 DC/DC 變換器實驗設計與驗證

2.1 拓撲選擇與損耗分析

實驗基于LLC 電路作為DC/DC 變換器的主功率電路（如圖1 所示），并且與對比實驗使用完全相同的控制器件與相關回路。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 電路拓撲的主電路

假設變換器的工作狀態相同，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通損耗與開關損耗。下面對功率器件損耗進行定性分析。

（1）導通損耗。Q1～Q4、SR1～SR4在導通期間，流經功率器件的電流包含直流負載電流和紋波電流2部分內容，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）開關損耗。原始應用Si-MOSFET 功率器件的LLC 諧振變換，當開關頻率與諧振頻率相等，電路工作在諧振頻率點時，可以消除功率器件的反向恢復損耗，即原邊開關管工作在零電壓開關（Zero Voltage Switch，ZVS）模式，同時整流電路因為工作在斷續條件而實現零電流模式。但是GaN 功率器件的寄生電容及柵極電荷極小，較Si 功率器件的開通關斷過程性能更優。

當開關頻率大于諧振頻率時，由于Lm不能參加諧振，整流功率器件因工作在連續的電流模式下而不能像上面一樣實現零電流模式工作，因此必然會產生反向恢復損耗。然而GaN功率器件優異的第三象限（反向）特性，使得其省略了這部分損耗[4]。

綜合功率器件開關管的開通損耗、關斷損耗、柵極驅動損耗作為開關損耗進行理論分析。開關損耗為

GaN 功率器件具有極小的極間電容和柵極電荷，在LLC 電路拓撲中的開關損耗也能更低。電路中其他部分的損耗因參數設計均相同，差異相對較小，這里不做詳細分析[5]。

2.2 實驗器件選擇與損耗分析

根據分析結果，為了降低損耗使DC/DC 變換器的效率提高，需要選擇導通電阻低、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，驅動電路分別選擇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 個對比變換器的容量設置相同。變壓器選擇鐵氧體磁芯材質，匝數及感量設置相同，并以集成線圈的方式安置在印刷電板（Printed Circuit Board，PCB）上。

通過PCB 的優化，減少寄生參數，搭建成全橋LLC 變換器的實驗電路模塊平臺。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。

根據粗略計算，在Uin=48 V、Uout=12 V、Pout=600 W、100%負載情況下，損耗分布估算如表2 所示。

表2 損耗分析

2.3 測試結果

圖2 和圖3 分別是Uin=48 V、Uout=12 V、Pout=600 W 時，Si 功率器件和GaN 功率器件電路的實測波形。UQ1為原邊開關管的Uds波形，USR1和USR4分別為副邊整流開關管的Uds波形。從實測波形中可以看出，Si 功率器件的過沖更大，而GaN 功率器件的過沖相對較小。

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，2 個變換器的效率和損耗隨著輸出功率變化的曲線。由此可見，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%負載期間達到峰值，隨后再緩慢下降。其中GaN 變換器的峰值效率達到96.8%，而Si 變換器為96.1%，效率提高0.7%。2個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 時效率及損耗

事實上，本實驗在可控變量的前提下，為了增加GaN 和Si 的對比性，并沒有將GaN 功率器件的優勢完全發揮，還有很大的優化空間。例如，GaN 功率器件的頻率仍可再調高，而GaN 在高頻時仍可保持較高的轉換效率，Si 則會隨著頻率的升高而降低；同時，GaN 應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，因此實際上有更多的空間可以用來優化PCB 線路，以達到更優的性能。

3 結 論

比較了GaN與Si功率器件的材料性能、器件參數，并在48 V DC/DC 變換器應用中進行實際驗證。結果表明，GaN 功率器件可以降低變換器的導通損耗和開關損耗，提高開關頻率，減小電路板尺寸，無論在器件參數上，還是應用電路性能及靈活性，較Si 功率器件仍有很大優勢和提升空間。

未來，隨著GaN 材料性能的進一步挖掘和工藝制程的進一步提升，GaN 功率器件在DC/DC 變換器中的高功率密度應用將逐步替代Si 功率器件，以實現DC/DC 變換器的新一代高功率密度產品升級。