导入Cascode结构　GaN FET打造高效率开关

出现很高的dv/dt漏极的电压。与Super-junction相比，具有相同Rds（on）的GaN级联FET的充电速度快二至三倍，dv/dt也好得多。因此，与对应的Super-junction相比，GaN Cascode能够在不增加损耗的情况下实现LLC转换器的高工作频率。

　　［@B］元件电容与电荷［@C］ 元件电容与电荷

　　对于硬开关拓扑，FET输出电荷Qoss每个周期都会被耗尽，所以Qoss是频率相关开关损耗的要素之一。因此，FET的普通开关损耗指标就是RDS（on）×Qoss，换句话说，就是在给定的RDS（on）下每个周期损耗了多少输出电容相关电荷。GaN Cascode开关比当今最好的Super-junction FET还好三倍，将来这一数值还会继续改进。

　　Qoss和Qrr有时容易被混淆。虽然这些参数是在不同条件下分别测量的，但是存在着一定的重叠，从而掩盖了GaN Cascode这类技术的真正优势。反向恢复电荷Qrr是利用专用半桥电路（亦即双脉冲测试仪）进行测量的：在上臂FET内建立其体二极体正向电流，然后打开下臂FET，从而迫使上臂体二极体内发生反向恢复事件。随着时间的流逝，测量电流，然后合并总反向传导区域，得到电荷测量值Qrr。但是设想有一个带有一定电容的理想二极体，然后按下面这种方法进行评估：电容放电所需的电流是负电流，对其进行合并并称之为Qrr，但是它不是真正的反向恢复电荷（理想二极体没有反向恢复电荷），它只是电容电荷。重点在于传统Qrr测量将真正的Qrr和Qoss混为一谈并称之为Qrr。这一点很重要，因为不同的拓扑对真正的Qrr较敏感，而对Qoss则不那么敏感。例如，软开关拓扑可能会将Qoss整合到整个谐振电路中去，让它变得基本上无损耗。但是与真正的Qrr相关的二极体复合时间造成的延迟和反向电流会产生功率损耗。结论就是，单看资料手册中的参数或简单的指标无法知悉全部情况。每款元件都须要仔细评估，进而了解其应用电路的真正损耗。

　　闸电荷是另一个GaN Cascode优于替代矽FET的参数。再一次通过比较相同条件下的Rds（on）×Qg规范化为Rds（on），GaN Cascode的闸电荷低了八倍。由于每个开关周期闸电荷在充电和放电期间都会被闸极驱动电路全部耗尽，所以Qg降低会直接降低闸极驱动电路的损耗，进而提升总效率，特别是在高频下。

　　GaN FET优势多商用可期

　　电力电子常用的拓扑随着半导体的发展而不断变化。GaN实现了那些需要低Rds（on）和出色的体二极体行为的拓扑，从而将应用领域扩展到传统FET无法充分发挥作用的领域，例如无桥升压PFC和相移全桥转换器之类的高频、高效拓扑，甚至电机驱动应用也能受益，尽管它们的开关频率通常较低。GaN Cascode FET的传导损耗低于IGBT，特别是在轻负载下，适于压缩机和大多数时间在10？20%负载下运行的其他应用。GaN还可以在同步整流器模式下运行，从而降低二极体传导损耗（与IGBT相比）。此外，相比于任何矽FET，即使是快速恢复外延二极体场效应电晶体（FREDFET），GaN Cascode的反向恢复特性也较出色，从而缩短硬开关条件下的转换时间，无须增加传导电磁干扰（EMI）即可降低开关损耗。

　　归根究底，体二极体行为限制所有600V开关选项的性能，因为通常须在开关速度以及反向恢复的di/dt与dv/dt特性造成的EMI之间进行折中；换言之，必须降低矽FET的速度（这将提高开关损耗）方能消除传导EMI。第一代GaN FET现已实现商业化，与当今最好的矽FET相比其有了明显改善。