.GaN 功率器件，D 模式 HEMT技术选择介绍

氮化镓 (GaN) 功率器件在几个关键性能指标上都优于硅 (Si)。具有低本征载流子浓度的宽带隙允许更高的临界电场，从而允许在更高的击穿电压下具有降低的特定导通电阻 (Rds on ) 的更薄的漂移层。导通损耗可以通过较低的 Rdson 降低，而动态损耗可以通过GaN可能的更小的裸片尺寸来降低. 当它与铝基异质结构结合时形成二维电子气 (2DEG) 的能力导致了备受青睐的高电子迁移率晶体管 (HEMT) 功率器件。固有的高饱和速度以及高 2DEG 迁移率使高频开关成为可能，并具有较小磁性的相应优势。由于 HEMT 中缺少体二极管而导致的损耗降低，以及它们的节点电容降低，允许高转换速率开关，这可以转化为更低的开关损耗，从而大大提高电源转换效率。

氮化镓的主要特点：

氮化镓的带隙为 3.2 电子伏特 (eV)，几乎是等于 1.1 eV 的硅的三倍。

在电压高达 650V 的电源应用中，GaN 可以与当前的 MOSFET 和超结 (SJ) MOSFET 竞争。

GaN HEMT(高电子迁移率晶体管)提供出色的 RDS(开)和品质因数 (FOM)。根据电压和电流额定值，品质因数可能比超结 (SJ) FET 低 4 到 10 倍。

GaN 的击穿场为 3.3 MV/cm，而硅的击穿场为 0.3 MV/cm。

耗尽模式 (d-mode) 和增强模式 (e-mode) 形成了两大类横向 HEMT 器件。最近，人们对针对更高电压 (> 900V) 应用的垂直 GaN 器件产生了兴趣。图 1 显示了这三个设备类别的表示，我们将在接下来更详细地讨论。

D 模式 HEMT

GaN 功率 HEMT 通常在 Si 衬底上制造。由于这些横向器件在产生 2DEG 的 AlGaN/GaN 界面处传导电流，因此可以在 Si 衬底上沉积相对薄的 GaN 层，中间放置一个缓冲层。这缓解了两种材料之间的晶格失配。大多数生产是在 150 毫米晶圆上进行的——但是，像 Innoscience 这样的一些晶圆是在 200 毫米基板上制造的。耗尽模式或 d 模式器件允许在没有栅极偏置的情况下形成自然 2DEG 通道，因此通常处于开启状态。这些器件的典型负阈值电压 (Vt) 为 -5V 至 -20V。

在大多数电源应用中，从系统实现的角度来看，常开设备是非常不受欢迎的。因此，如图 1 所示，d 模式 HEMT 通常与级联低压 (LV) Si MOSFET 或直接驱动方法结合使用。现在让我们更详细地看看这些选项中的每一个。

级联 d 模式/Si MOSFET

Transphorm 和 Nexperia 是制造级联设备的公司的例子。

这种方法的最大优势在于栅极驱动。由于采用 3-4 V 范围内的阈值电压和 +/- 20 V 典型额定值的栅极氧化物驱动 Si MOSFET，因此驱动器具有较宽的工作窗口，而级联共栅具有强大的安全裕度和良好的抗噪性。可以使用单极栅极驱动器，例如用于硅应用的那些。此外，共源共栅电路在 3 rd方面具有优势具有续流 Si MOSFET 体二极管的象限操作以及较低的 Rdson 温度系数，在高温应用中具有优势。与典型的 e 模式器件相比，级联电路中的栅极泄漏 (Igss) 最多可低两个数量级。随着更高的栅极裕度，可以提供采用热效率更高的 TO-247 类型封装的封装产品。提供符合汽车 AEC-Q101 标准的设备。级联方法的一些缺点可能包括更高的栅极和输出电容、Si MOSFET 体二极管的反向恢复损耗、高转换速率开关条件下 Si MOSFET 的潜在可靠性问题、转换速率控制较少以及电压 < 200 V 时效率较低由于 Si 器件的 Rdson 贡献较大。

直接驱动

德州仪器 (TI) 和 VisIC Technologies 都生产集成栅极驱动 d 模式 GaN 产品。直接驱动可以克服上面列出的级联电路的一些缺点。显示了 TI LMG3422R030 直接驱动 GaN 产品的功能框图，该产品使用与 GaN HEMT 共同封装的 Si 控制芯片。智能栅极控制可避免 Si MOSFET 反向恢复、低电感驱动器/HEMT 封装集成，以及集成保护电路和压摆率控制，可实现更高的闭环性能。

d 模式级联或直接驱动产品目前针对工业和汽车应用的 200 – 800 V 范围，例如电信服务器电源、太阳能和电池电源逆变器、工业自动化和电动汽车的车载充电。在许多此类应用中，特别是在更高电压/功率领域，它们面临来自碳化硅 (SiC) 器件的竞争。