氮化鎵(GaN)器件在功率轉換器中具有多種優勢，包括更高的效率、功率密度和高頻開關能力。橫向GaN高電子遷移率晶體管(HEMT)功率器件在這些應用中市場增長強勁。這種本征耗盡模式的器件的柵極驅動具有挑戰性，提供了多種解決方案以實現魯棒的增強模式操作。在本文中，我們總結研究了具有集成柵極接口和保護功能的p-柵極GaN HEMT的柵極過電壓魯棒性。

　　p-柵極GaN HEMT面臨的挑戰

　　在創建增強模式GaN技術的各種選項中，p-柵極GaN HEMT已成為一種受歡迎的器件選擇。在柵極金屬下方添加摻鎂的p型層，可以改變帶隙，從而將器件的閾值電壓Vth移至正范圍。這種器件的肖特基金屬阻擋版本(SP-HEMT)已被多家器件制造商和代工廠商業化，電壓等級范圍從15V到650V。這種器件的Vth通常低于2V。這種低Vth可能使器件更容易受到噪聲的影響，尤其是來自這些器件能夠實現的高頻、高斜率開關產生的瞬態噪聲。

圖1

　　器件的寄生開啟是由于漏極-柵極米勒電容耦合造成的風險。這種風險通常需要使用負的關態柵極電壓(VGS)驅動。另一個限制來自于開啟時使用更高電壓柵極驅動引起的可靠性問題。柵極接觸通常在VGS > 7V時開始導電。陷阱相關效應導致閾值電壓變化，熱載流子也可能導致動態導通態電阻(RDSon)增加。這為導通態VGS創建了一個上限窗口，通常約為6.5V。

　　導通態Vgs的下限窗口可以由RDSon設定，通常需要> 4V左右才能達到飽和低水平。因此，整體操作窗口可能很小(4V – 6.5V)。因此，柵極過驅動的余量非常有限(約1V)。基于驅動Si mosfet的標準柵極驅動器不能輕易使用，需要多個外部組件，從而增加了轉換器板的復雜性和成本。板設計和布局對于保持感應路徑小至關重要，而使用噪聲余量低且需要與柵極驅動器接口的許多外部組件的GaN器件會增加這種復雜性。

　　集成GaN解決方案

　　劍橋GaN器件公司是一家無晶圓半導體公司，開發了一系列額定電壓為650V的硅基GaN功率器件。一種新穎的柵極接口，稱為ICeGaN?，以及傳感和保護電路被單片集成到單一芯片解決方案中。ICeGaN?電路的示意框圖如圖1所示。主功率HEMT是一個額定電壓為650V、Vth約為1.6V的肖特基p-柵極GaN HEMT。

　　輔助低壓GaN HEMT，以及電流源和電壓限制器，負責吸收外部應用柵極電壓的大部分。因此，功率HEMT器件的柵極(稱為內部柵極或VGi，如圖1所示)的電壓得到仔細控制。該電路確保功率HEMT在達到外部柵極電壓VG達到約2.7V(這是集成器件的Vth)之前不會開啟，此時VGi約為1.6V。當VG高于此值且VG < 7V時，VGi遵循輔助HEMT的柵極電壓VG,aux，根據公式VGi = VG,aux – VGS,aux。當VG > 7V時，VG, aux被鉗位在恒定電壓，因此VGi被限制在約5.5V。

　　VG和VGi之間的關系如圖2所示。因此，這允許使用標準柵極驅動器用于外部VG。ICeGaN?接口的另一個優點是，鉗位電路在低溫下相對于升高溫度在VG高值時減小VGi，從而最小化GaN HEMTs1中觀察到的一種退化機制。

圖2

　　米勒鉗位是動態操作下的重要保護器件。該器件具有可調狀態，使得在功率GaN開啟時的正常條件下，它處于高阻抗關態。在關閉時，它能夠將VGi強烈拉至0V，加速關閉并最小化柵極電荷。米勒鉗位還提供了對外部瞬態和快速開關事件中寄生開啟的強大免疫力。

　　柵極過電壓魯棒性

　　在Wang及其團隊進行的這項研究中，研究了ICeGaN?的動態柵極過電壓邊界。使用了一個650V/130mΩ的ICeGaN?產品。如圖1所示，智能接口由外部12 – 20V VDD電壓供電。在VG或VGi上產生共振電壓過沖，模擬在功率轉換器中可能看到的柵極過沖。測試在靜態條件下進行，其中功率GaN漏源接地(稱為DSG，VDS = 0V)，模擬零電壓開關情況，以及在400V總線電壓和感應負載下的硬開關(HSW)條件。測試平臺示意圖如圖3所示。

　　該測試電路通過在柵極回路電感LG中積累能量來產生過沖，該能量由0.5V VCC供電電壓充電。開關S1是一個低壓GaN HEMT。當S1關閉時，LG中的能量會產生共振過沖，共振由LG和ICeGaN?的輸入電容以及S1的輸出電容之和產生。過沖的脈沖寬度可以通過LG值和S1的導通時間進行調制。本工作中使用了20ns的寬度。器件在25°C和150°C下進行了測試。另一個變量是ICeGaN?芯片的VDD供電。在一個情況下，它被設置為20V，而在另一個情況下，它與外部柵極供電相連。后一種情況消除了ESD保護電路中的過電壓應力。

圖3

　　動態柵極過電壓魯棒性通過參數BVG, DYN測量，該參數表示部件失效前的最大柵極過應力電壓。獲得的結果顯示在圖3中包含的表格中。當過電壓直接應用于內部柵極時，得到BVG, DYN值為33-35V，而當應力應用于ICeGaN?的外部柵極引腳且VDD為20V時，該值增加到66 -72V。

當VDD引腳與外部柵極短路時，BVG, DYN進一步增加到84 -92V。在外部20V供電驅動VDD的情況下，故障分析表明ICeGaN?芯片中的ESD保護塊可能是故障塊。故障時的參數特性顯示了柵極-源極短路。在VDD與外部柵極短路的情況下，故障后轉移特性幾乎沒有變化。這里的故障歸因于米勒鉗位的退化，導致軟故障。

　　BVG, DYN的顯著提升顯示了ICeGaN?柵極接口提供的出色柵極保護。通過集成解決方案提高柵極魯棒性，在使用ICeGaN?器件的功率轉換器應用中可能是一個重要的優勢。

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