【应用】Keysight建模软件＆ADS仿真软件助力GaN充电器研发和测试，可完美呈现实测数据

近日，小米家的一个GaN充电器引发了热搜，让普通老百姓不明觉厉了一把。雷军说，“实在太方便了！”而紧接着，华为、三星、OPPO、苹果等公司也纷纷表示自己在这项技术上也早有布局，后续会有更多的GaN充电器相继登场。看来这个叫做GaN的技术隐隐有成为网红的潜质。那它到底为什么这么神？怪力（功率大）& 萌妹（体积小）！

而就在小米推出这个GaN神器之前，一月份，我们在网络平台进行了一场精彩纷呈的直播，也是关注了GaN、SiC等功率器件的测试挑战。从市场行情，到设计仿真，再到器件的静动态参数以及板级测试，从测试原理到各种测试小锦囊，我们的专家进行了全面的分享和分析。在分享过程中，专家也一不小心揭秘了为啥这个GaN充电器是个怪力萌妹勒~

直播分享现场，工程师大饱耳福，大呼过瘾。很多困扰已久的问题经专家一解读，竟然鞭辟入里，豁然开朗了。

01. 老市场，新玩法

02. 如何提升功率器件的“核心竞争力”

03. GaN MOSFET vs. Si MOSFET关键指标解读(怪力萌妹谜底)

04. 高频高电压的应用，仿真何去何从？

05. 模型是关键，KEYSIGHT是如何做到这一点的？

01. 老市场，新玩法

在交通运输、重工业、消费类电子以及电力传输等领域，功率器件已经应用了很多年。但随着对更高效率、更小体积、更低成本等的更高追求，最近几年SiC、GaN等第三代功率半导体器件受到广泛关注。

简单来说，就是火了！相对于Si基MOSFET来说，同等面积/重量的GaN器件在耐压更高的基础上更像是一个欢脱的蜂鸟，开关频率一骑绝尘，非常惊人，而SiC器件就像是非洲大草原的野牛一般，经得住高温考验，也扛得起高压挑战。

02. 如何提升功率器件的“核心竞争力”

功率器件在应用过程中，主要应用在开关转换过程中，高效率是其必备的“核心竞争力”。而更高的效率意味着更低的什么呢？对，是损耗！驱动损耗、开关损耗和导通损耗越低，效率就越高！而决定这几种损耗的关键指标就分别是Qg、Coss和Ron。

方法一

这也是目前在低压应用中非常主流的一种实现方式。不过这种GaN器件的导通电压很低，比如处于1V，那Gate端在0V左右的时候容易出现误导通的情况，所以通常厂商也都会建议施加一个负压，如负的2~3V在Gate端。驱动端耐压比较低，也是这种管子主要应用在低压情况的主要原因。

方法二

三明治结构

这种结构的实现是在普通的GaN结构的GS之间并联一个低压的Si基MOSFET，也就是说这种实现方式是在一个封装里包含两个Die，一个Die是一个GaN管子，另一个Die是Si基MOSFET，如下图5。

这种结构下，GaN管子的DS之间依然处于常开的状态。

当在（1）号箭头处向D端输入一个电压，比如400V，那么由于管子处于导通状态，这个电压就会到达（2）号位置的S端。

当（2）和（3）之间的电压达到19V（通常GaN管子的关断电压就是±19V）时，GaN管子就会关断，因此施加在Si基MOSFET管子上的最大电压就是19V。

这也是为什么可以用这样一个低电压的Si基MOSFET来控制整个GaN管子的开关。而且这个Si基MOSFET的耐压很低，其自身的寄生电容、开关时间等都很小，使得这个GaN管子的耐压较高，同时开关频率也可以做到很高。因此，这种三明治结构一般用于实现高耐压下的GaN MOSFET。

聊完了GaN MOSFET的结构，我们来看看GaN MOSFET和Si MOSFET的一些参数差别。

GaN MOSFET和Si MOSFET的一些参数差别

绿色表格中的是GaN管子的导通电阻，下面是Si基MOS管的导通电阻。可能有工程师要有疑问了！不是说GaN管子的导通电阻会更低么？怎么从上面的表格中没有体现这一点，甚至GaN的导通电阻还略高一些？这是怎么回事？

那其实有一个关键点，我们说GaN MOSFET的导通电阻小是跟同等面积下的Si MOSFET来比较的。上面表格中这个GaN MOSFET的晶圆尺寸其实是远远小于Si MOSFET的，但这个指标你去看产品规格书是看不出来的。所以新推出的GaN充电器才能既有更高的效率，又有更小的体积啦。

还有一点需要指出的是

GaN的导通电阻RDSon随着温度增加的变化斜率更加平缓。什么意思？上面的表格中大家看到两个MOSFET 25℃下的导通电阻是50Ω左右，但我们计算的时候是不是就以这个为参考？

当然是不行的。因为在工作条件下，MOSFET的工作温度怎么也得有至少80℃。虽然说规格书中不会给出所有温度下的RDSon，通常只给出25℃和150℃下的典型值，但GaN的RDSon随温度变化更加缓慢，在一般的工作温度下它的RDSon还是会更小一些，即它的耐高温特性更好。GaN的耐热性更好也是GaN充电器体积能做到更小的一个原因哟~

另外一个就是VDS

Si MOSFET有一个雪崩效应，下表中的Si基MOSFET的雪崩电压是600V，也就是说当电压达到600V以上，MOSFET不会立刻坏掉，而是有一个雪崩效应，当能量达到一定值之后，才会毁坏，这就给管子一定的缓冲；而GaN MOSFET是没有雪崩效应的，那这两种MOSFET如何对标呢？GaN MOSFET厂商的做法就是人为地预留一个buffer。

怎么理解？大家看下面表格中的数字——GaN管子VDS的最大值标注是650V，但就小编了解，这款GaN管子的最高耐压可以达到1000V以上。可以看到他的VTDS是800V，标注是脉冲情况下，脉冲时长1us。所以厂商还是预留了相当大的裕量。不过大家不要说知道了这个消息就挑战极限，如果器件坏了，我们是不负责修的哟，基本原厂也不会负责的

第三个就是Qg

可以看到，相比于Si MOSFET，GaN MOSFET的Qg是很有优势的。那只有Qg小了，才能在保证高效率的情况下做到更高的开关频率。为什么？因为开关频率不仅跟载流子流动速度相关，另一个重要的因素就是这个Qg小。Qg小，意味着驱动损耗小，整个开关的频率就可以做到很高。

当然还有一些其他参数，比如Coss，Ciss等。不过对于这些参数来说，GaN MOSFET和Si MOSFET差别不大，小编就不单独拎出来给大家讲了。以上讲的主要是一些随着开关频率上升GaN MOSFET与Si MOSFET相差比较大的地方。这也是为什么GaN器件更适合高频开关应用的原因。

04. 高频高电压的应用，仿真何去何从？

比如我们要做一个ACDC（我们今天的主角GaN充电器的电路就是这个作用），从220V转12V电压出来。那这个仿真主要是看这个电压是否能转出来，tolerance有多少等这些简单的东西。

那真正的板子生产出来之后的PEAK电压、干扰情况、是否会出现震荡等等这些器件对板子的影响是无法通过这个仿真得到的。这一方面是因为仿真软件本身比较理想化，另一方面你拿到的器件模型也是理想化的。

也就是说，在这些仿真中，你是使用Si MOSFET还是使用GaN MOSFET，是没有多大区别的。那这个仿真的意义就很小了，一旦出现问题，还需要重新去做Layout，甚至重新进行选型，导致整个研发进度严重delay。

那小编给大家看几张图来给大家一个直观的感受。红色的线代表的是仿真软件的结果，蓝色的线是实测结果。那下面展示的就是传统仿真结果与实测的对比（左侧）以及Keysight仿真软件与实测的结果（右边）。

05. 模型是关键，Keysight是如何做到这一点的？

直接导入实测IV曲线

Keysight的建模软件不仅可以用指标建模，还可以直接导入实测结果。Keysight自己研发的设备分析仪B150xA系列和动态参数测试系统PD1500A可以将器件的IV曲线进行全面的测量，包括大电流小电压、小电流大电压、大电流大电压；通过这样的建模，器件本身的损耗可以被充分考量；