双向GaN功率IC有何用途？

双向 GaN 电源 IC 适用于各种应用，从电机驱动器和可再生能源逆变器到 USB 充电器、便携式电子设备、电动自行车等。本文介绍了双向 GaN 开关的应用可能性示例。

GaN 高电子迁移率晶体管 (HEMT) 或 HFET 已采用 600 V 工艺制造，该工艺可生产导通电阻低至 70 mΩ 的器件。为了进行性能比较，在同一晶圆上制造了单向和双向器件。使用 p-GaN 栅极来获得器件中的常关特性。

为了制作双向 HFET，在靠近漏极 D1 的漂移区中添加了第二个栅极 (G2)，并将其用作一个操作方向的控制栅极(图 1)。双向 GaN HFET 是对称的，可以在两个方向上承载相同的电流。

图 1. 单向(左)和双向(右) GaN HFET 的横截面。双向 HFET 可以从左到右操作，S1、G1 和 D1 分别作为源极、栅极和漏极，或者从右到左操作，S2、G2 和 D2。

添加第二个栅极不会对器件性能产生实质性影响。双向 FET 的特定导通电阻在两个方向上相同，比单向器件高 3%。两种器件的截止状态漏极漏电流高达 600 V，均低于 5 µA。在 10 A、400 V 钳位电感开关测试中，两种器件在关断期间均表现出 60 V/ns 的压摆率。

在另一个案例中，已经开发出一种用于功率因数校正电路中的维也纳整流器、可再生能源系统中的电流源逆变器和固态断路器等拓扑的器件。在同等性能的基础上，该器件比 SiC 双向 FET 小 4 倍，比两个单向 GaN 器件小 3 倍，比传统硅解决方案小 9 倍。

USB端口OVP保护

40 V、4.8 mΩ 双向常闭增强模式 (e-mode) GaN 晶体管采用晶圆级芯片尺寸 (WLCSP) 封装，适用于较低功率和电压应用。它旨在取代电池管理系统 (BMS)、过压保护 (OVP) 应用、备用和备用电源系统中多个电源的开关电路以及双向转换器中的高侧负载开关中的背对背 Si MOSFET。除了导通电阻低之外，这些器件还具有 1 MHz 的工作频率。

ARPA-E 电路

美国能源部高级研究计划局 (ARPA-E) 的“利用创新拓扑和半导体创建创新可靠电路”(CIRCUITS) 项目赞助了基于 GaN 的四象限开关 (FQS) 的开发。

FQS 用一个提供双向电压控制和电流流动的器件取代了两个 FET、两个 IGBT 和两个二极管。它使用两个栅极来阻断任一极性的电压并支持任一方向的电流流动。使用 FQS 将减少零件数量，从而实现更高的功率密度、更高的可靠性和更低成本的解决方案。

横向 GaN 技术可以制造 FQS，因为电压阻断区可以在器件的两个部分之间共享。对于用于 Si 和 SiC 器件的垂直结构来说，这是不可能的。原型 FQS 已使用 650 V GaN 技术制造，阈值电压为 4 V。这些器件采用 GaN 制造，支持快速切换和低损耗，可实现紧凑、高效的解决方案。

电动自行车等

对于电动自行车 (E-bikes) 和储能系统等电池供电设备，100 V 双向 GaN-on-Si e-mode 器件采用 4.0 x 6.0 mm 倒装芯片四方扁平无引线 (FCQFN) 封装。这些器件的额定电流为 100 A，最大 RDD(on) 为 3.2 mΩ，VG 为 5 V，典型 QG 为 90 nC，VDD 为 50 V。

该器件的应用包括电池管理系统中的保护、双向转换器中的 (BMS) 高端开关以及多电源系统中的开关电路。BMS 应用可与支持电池平衡的模拟前端 (AFE) IC 和栅极驱动器配对。在适当的散热条件下，该单栅极器件的额定电流为 120 A。

概括

额定电压为 40 至 650 V 的双向 GaN 开关已经开发出来。它们可以简化和缩小各种应用，从便携式电子设备到电动自行车电池系统、数千瓦电机驱动器和可再生能源逆变器。