小米家的一個GaN充電器引發了熱搜，讓普通老百姓不明覺厲了一把。雷軍說，“實在太方便了！”而緊接著，華為、三星、OPPO、蘋果等公司也紛紛表示自己在這項技術上也早有佈局，後續會有更多的GaN充電器相繼登場。看來這個叫做GaN的技術隱隱有成為網紅的潛質。那它到底為什麼這麼神？怪力（功率大）& 萌妹（體積小）！
而就在小米推出這個GaN神器之前，一月份，我們在網絡平臺進行了一場精彩紛呈的直播，也是關注了GaN、SiC等功率器件的測試挑戰。從市場行情，到設計仿真，再到器件的靜動態參數以及板級測試，從測試原理到各種測試小錦囊，我們的專家進行了全面的分享和分析。在分享過程中，專家也一不小心揭秘了為啥這個GaN充電器是個怪力萌妹勒~
直播分享現場，工程師大飽耳福，大呼過癮。很多困擾已久的問題經專家一解讀，竟然鞭辟入裡，豁然開朗了。
本文將從器件特性指標分析，GaN充電器為何體型嬌小功率卻大？文章主要目錄如下：
01. 老市場，新玩法
02. 如何提升功率器件的“核心競爭力”
03. GaN MOSFET vs. Si MOSFET關鍵指標解讀(怪力萌妹謎底)
04. 高頻高電壓的應用，仿真何去何從？
05. 模型是關鍵，Keysight是如何做到這一點的？
老市場，新玩法
在交通運輸、重工業、消費類電子以及電力傳輸等領域，功率器件已經應用了很多年。但隨著對更高效率、更小體積、更低成本等的更高追求，最近幾年SiC、GaN等第三代功率半導體器件受到廣泛關注。
簡單來說，就是火了！相對於Si基MOSFET來說，同等面積/重量的GaN器件在耐壓更高的基礎上更像是一個歡脫的蜂鳥，開關頻率一騎絕塵，非常驚人，而SiC器件就像是非洲大草原的野牛一般，經得住高溫考驗，也扛得起高壓挑戰。
圖 1
目前，GaN器件正逐步取代傳統MOSFET的應用市場，如消費電子領域；而SiC器件正一步步蠶食IGBT的應用市場，主要是工業、能源領域。
圖 2
如何提升功率器件的"核心競爭力"
功率器件在應用過程中，主要應用在開關轉換過程中，高效率是其必備的“核心競爭力”。而更高的效率意味著更低的什麼呢？(看"沒有公式的文章不符合我們工程師的“怪”口味~”)對，是損耗！驅動損耗、開關損耗和導通損耗越低，效率就越高！而決定這幾種損耗的關鍵指標就分別是Qg、Coss和Ron。
圖 3
所以降低損耗的關鍵是降低這幾個指標。
那找到了問題的核心，器件廠商的工程師們就需要通過好的工具在設計過程中儘可能降低它們，而在反饋驗證以及產品出來之後精確地測量這些指標看是否滿足設計的目標，並將更精準的器件模型給到下游廠商；
而下游的應用工程師們在選型過程中，更需要利用趁手的“兵刃”精準地測試出各種產品的指標【小編提醒：雖然廠家會給模型參數，但自己測一測才能心中有數，設計出更好的產品】，選擇最能滿足指標要求的性價比最高的器件，拿到更精確的模型進行後續的設計。
GaN MOSFET vs. Si MOSFET關鍵指標解讀(怪力萌妹謎底)
文章開頭我們提到了GaN充電器這個怪力萌妹，那這個環節的關鍵指標解讀就為您揭曉謎底。在講具體的指標之前，我們來了解一下什麼是“三明治結構 ”。大家可能知道，GaN器件都是橫向溝道的，這意味著普通的GaN器件都是耗盡型的，即Gate端不施加任何電壓的話管子是處於常開的狀態的。
那如何控制管子關閉呢？就需要在Gate端施加一個負壓，比如-10V來使得管子關閉，這就給電路設計帶來非常大的麻煩。
那要改進GaN管子的開關控制一般怎麼做呢？有兩種方法：
方法一
在GaN的Gate端下面放一個小的P型GaN管子，如下圖4。這個P型管子會吸收溝道中的載流子，使得在默認狀態下，GaN處於斷開的狀態。當在Gate端施加一個小電壓，比如1V，就能使得GaN從關斷切換到導通狀態。
圖 4(注：圖片來源於Infineon)
這也是目前在低壓應用中非常主流的一種實現方式。不過這種GaN器件的導通電壓很低，比如處於1V，那Gate端在0V左右的時候容易出現誤導通的情況，所以通常廠商也都會建議施加一個負壓，如負的2~3V在Gate端。驅動端耐壓比較低，也是這種管子主要應用在低壓情況的主要原因。
方法二
>>> 三明治結構
這種結構的實現是在普通的GaN結構的GS之間並聯一個低壓的Si基MOSFET，也就是說這種實現方式是在一個封裝裡包含兩個Die，一個Die是一個GaN管子，另一個Die是Si基MOSFET，如下圖5。
圖5(注：圖片來源於Infineon)
這種結構下，GaN管子的DS之間依然處於常開的狀態。
當在（1）號箭頭處向D端輸入一個電壓，比如400V，那麼由於管子處於導通狀態，這個電壓就會到達（2）號位置的S端。
當（2）和（3）之間的電壓達到19V（通常GaN管子的關斷電壓就是±19V）時，GaN管子就會關斷，因此施加在Si基MOSFET管子上的最大電壓就是19V。
這也是為什麼可以用這樣一個低電壓的Si基MOSFET來控制整個GaN管子的開關。而且這個Si基MOSFET的耐壓很低，其自身的寄生電容、開關時間等都很小，使得這個GaN管子的耐壓較高，同時開關頻率也可以做到很高。因此，這種三明治結構一般用於實現高耐壓下的GaN MOSFET。
聊完了GaN MOSFET的結構，我們來看看GaN MOSFET和Si MOSFET的一些參數差別。
>>> GaN MOSFET和Si MOSFET的一些參數差別
首先來看導通電阻，見下表
表 1
綠色表格中的是GaN管子的導通電阻，下面是Si基MOS管的導通電阻。可能有工程師要有疑問了！不是說GaN管子的導通電阻會更低麼？怎麼從上面的表格中沒有體現這一點，甚至GaN的導通電阻還略高一些？這是怎麼回事？
那其實有一個關鍵點，我們說GaN MOSFET的導通電阻小是跟同等面積下的Si MOSFET來比較的。上面表格中這個GaN MOSFET的晶圓尺寸其實是遠遠小於Si MOSFET的，但這個指標你去看產品規格書是看不出來的。所以新推出的GaN充電器才能既有更高的效率，又有更小的體積啦。
還有一點需要指出的是
GaN的導通電阻RDSon隨著溫度增加的變化斜率更加平緩。什麼意思？上面的表格中大家看到兩個MOSFET 25℃下的導通電阻是50Ω左右，但我們計算的時候是不是就以這個為參考？
當然是不行的。因為在工作條件下，MOSFET的工作溫度怎麼也得有至少80℃。雖然說規格書中不會給出所有溫度下的RDSon，通常只給出25℃和150℃下的典型值，但GaN的RDSon隨溫度變化更加緩慢
，在一般的工作溫度下它的RDSon還是會更小一些，即它的耐高溫特性更好。GaN的耐熱性更好也是GaN充電器體積能做到更小的一個原因喲~另外一個就是VDS
Si MOSFET有一個雪崩效應，下表中的Si基MOSFET的雪崩電壓是600V，也就是說當電壓達到600V以上，MOSFET不會立刻壞掉，而是有一個雪崩效應，當能量達到一定值之後，才會毀壞，這就給管子一定的緩衝；而GaN MOSFET是沒有雪崩效應的，那這兩種MOSFET如何對標呢？GaN MOSFET廠商的做法就是人為地預留一個buffer。
怎麼理解？大家看下面表格中的數字——GaN管子VDS的最大值標註是650V，但就小編了解，這款GaN管子的最高耐壓可以達到1000V以上。可以看到他的VTDS是800V，標註是脈衝情況下，脈衝時長1us。所以廠商還是預留了相當大的裕量。不過大家不要說知道了這個消息就挑戰極限，如果器件壞了，我們是不負責修的喲，基本原廠也不會負責的()
表 2
第三個就是Qg
可以看到，相比於Si MOSFET，GaN MOSFET的Qg是很有優勢的。那只有Qg小了，才能在保證高效率的情況下做到更高的開關頻率。為什麼？因為開關頻率不僅跟載流子流動速度相關，另一個重要的因素就是這個Qg小。Qg小，意味著驅動損耗小，整個開關的頻率就可以做到很高。
表3
當然還有一些其他參數，比如Coss，Ciss等。不過對於這些參數來說，GaN MOSFET和Si MOSFET差別不大，小編就不單獨拎出來給大家講了。以上講的主要是一些隨著開關頻率上升GaN MOSFET與Si MOSFET相差比較大的地方。這也是為什麼GaN器件更適合高頻開關應用的原因。
高頻高電壓的應用，仿真何去何從？
由於GaN、SiC器件主要是應用在一些更高開關頻率的環境中，所以在設計線路的時候就需要考量更多的因素，比如寄生電容、雜散、EMI輻射等。所以大家在開始一個新的項目或者應用的時候，不是直接畫線路圖，然後做Layout，再進行量產。通常我們的做法是：
1) 首先進行器件的篩選，決定是採用哪個廠商的GaN或者是採用GaN還是SiC甚至是傳統的Si MOSFET。
2) 做完器件篩選之後，需要向原廠索要器件建模文件。
3) 在拿到建模文件之後，用諸如PSPICE等電路仿真軟件進行電路設計仿真。
那這個仿真呢，其實是非常簡陋的。它裡面基本是理想化的仿真，不包含器件可能會出現的震盪，電磁輻射等等。
舉個栗子
比如我們要做一個ACDC（我們今天的主角GaN充電器的電路就是這個作用），從220V轉12V電壓出來。那這個仿真主要是看這個電壓是否能轉出來，tolerance有多少等這些簡單的東西。
那真正的板子生產出來之後的PEAK電壓、干擾情況、是否會出現震盪等等這些器件對板子的影響是無法通過這個仿真得到的。這一方面是因為仿真軟件本身比較理想化，另一方面你拿到的器件模型也是理想化的。
也就是說，在這些仿真中，你是使用Si MOSFET還是使用GaN MOSFET，是沒有多大區別的。那這個仿真的意義就很小了，一旦出現問題，還需要重新去做Layout，甚至重新進行選型，導致整個研發進度嚴重delay。
那我們推薦給大家的流程是如下圖右側的流程。那這個流程中，我們在選型或者看器件模型的時候，能直接採用高精度的滿足第三代寬禁帶半導體需求的模型，把器件的各種寄生參數以及寄生參數會工作條件的影響，比如震盪效應、溫度變化的影響、電磁輻射效應都考慮進來，然後進行更全面的仿真。
這個仿真一定是基於Layout的仿真，而不僅僅是基於線路圖的仿真。當仿真結果較好，那我們才能有很強的信心說這個產品生產出來之後的問題可能就很少了。
圖 6
那小編給大家看幾張圖來給大家一個直觀的感受。紅色的線代表的是仿真軟件的結果，藍色的線是實測結果。那下面展示的就是傳統仿真結果與實測的對比（左側）以及Keysight仿真軟件與實測的結果（右邊）。
圖 7
可以發現，左側仿真中得到的結果永遠是非常完美的開關週期，這裡面你看不到震盪、衝擊。結果雖美，但怎奈它並不真實。藍色的實測數據線一下子將你拉回殘酷的現實。
右邊的圖是使用Keysight仿真模型和仿真軟件得到的結果。可以看到，仿真結果可以完美呈現實測數據，包括衝擊、震盪都與實測數據非常接近。
說明什麼？說明這個仿真是真的考慮了眾多實際因素的影響。那通過這樣的仿真軟件，我們的工程師在軟件仿真階段就能充分了解設計的板子的整體性能，可以在前期進行相應的優化，大大提升研發週期。
Keysight是如何做到這一點的？
模型是關鍵。那Keysight是如何做的？
- 公式更全面下面是我們的建模公式：可以看到我們考慮的因素更多，包括一些非線性的寄生參數也考慮在內~（，公式狂魔們可以自己）
圖 8
圖9
- CV曲線不遺漏 尤其是器件VDS在關斷過程中的Ring/衝擊等高頻響應的影響。大家知道基本所有的震盪都是因為Coss，Ciss, Crss等寄生電容的影響，那我們的B150xA系列可以測試器件的寄生電容CV曲線。但這個測試有一個限制，就是隻能測試5MHz以內的CV。那大家可能要說了，我們的開關頻率就只有幾百KHz，最大也就1M，5MHz的CV響應是否已經足夠了？但其實對於震盪來說，這顯然是不夠的。雖然開關頻率只有幾百KHz，但它的諧波頻率是分佈很廣泛的，可以達到100MHz、200MHz甚至更高。因此在仿真建模的時候也要考慮到寄生電容在高頻下的分佈。所以我們不僅要用B150xA系列測試低頻下的寄生電容，還需要用到網絡分析儀（這已經超出了電力電子工程師的認知了吧？）來測試器件高頻的CV曲線甚至是S參數；同樣，這個CV曲線也可以導入到建模軟件中進行統一的考慮。
- 基於Layout的仿真 有了很好的模型之後，我們可以對器件本身的震盪、電磁兼容特性等進行很好的模擬。但還有一點需要考慮的是應用時我們設計的Layout電路本身的寄生電容等帶來的震盪也是很重要的。那Keysight的ADS仿真軟件可以基於Layout進行仿真，使得工程師可以在仿真階段對器件對電路都有更好的瞭解。
圖10
- 那我們也有很多的客戶使用我們的儀表和建模仿真軟件進行研發和測試，並在重要的期刊上發表了相應的技術文章。
圖 11
那說到這裡，我們這篇文章的篇幅已經不短。我們講了市場的情況，簡述了決定效率或者損耗的核心指標，詳述了GaN器件的結構以及與Si MOSFET的指標差異（同時解密了GaN充電器的網紅謎底）。
講了這麼多，只是想跟大家說，在寬禁帶半導體器件設計以及應用時，一個好的模型和一個全面的仿真軟件是幫助大家日常工作事半功倍的利器。而一個好的模型不僅以賴一個好的建模軟件，也應基於更精準的實測數據來進行建模。這是軟實力和硬實力的綜合體現。
那上面我們只是提到一下B150xA系列的靜態參數測試以及PD1500A的動態參數分析。B150xA系列知名度挺高，很多公司和實驗室裡都有這款產品坐鎮，小編就不多贅述了。
PD1500A動態參數分析儀可是剛推出不久的市場新寵，小編將在《網紅充電器也需要雙脈衝測試？請收藏這幾條錦囊》為大家詳細闡述動態參數測試方法——
雙脈衝測試。關於是德科技
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