氮化鎵(GaN)高電子遷移率晶體管(HEMT)功率器件在快速切換功率轉換應用中具有許多優勢，已廣泛用于手機/筆記本電腦電源適配器/充電器、數據中心電源和可再生能源系統。在本文中，我們深入探討由Innoscience為電池管理系統(BMS)創造的一種新型應用，該應用使用設計為雙向器件的GaN HEMT。

　　雙向開關與GaN HEMT的優勢

　　雙向開關(BDSes)有許多不同的應用，其中一個例子是AC/AC環形變流器，可替代如太陽能逆變器中的AC/DC + DC/AC階段。雙向操作使四象限切換成為可能，可以減少元件數量，提高效率、功率密度和可靠性。硅mosfet具有在反向模式下導通的本征體二極管(即對于NMOS器件，當漏極相對于源極處于負電位時)。然而，MOSFET的這種反向操作對柵極控制非常有限。因此，通常在串聯中使用兩個背靠背的MOSFET。電流流經一個器件的MOSFET和另一個器件的體二極管。在任一方向上，兩個器件的導通損耗相加。

　　GaN HEMT是一種橫向器件，沒有體二極管。因此，在單個器件中可以輕松實現雙向電流流動。電壓阻擋能力通常通過在漏極處創建橫向漂移區域來實現。以類似方式處理通道的源極側以創建對稱器件，可以實現雙向電壓阻擋能力。與硅MOSFET相比，這種方法的一些優勢如下：

　　一個GaN器件可以替代兩個MOSFET。

　　GaN的材料優勢，以及在HEMT的二維電子氣通道中實現的高載流子遷移率和飽和速度，使得特定導通態電阻(RDS(on) × 面積)指標得到改善。這轉化為更低的導通損耗。在需要高頻切換的應用中，GaN的更低寄生電容顯著提高了切換品質因數并降低了損耗。

　　硅MOSFET的閾值電壓(Vth)通常具有負溫度系數，導致漏極電流的正溫度系數(PTC)(或給定柵極驅動下的導通增加)，直到漏極電流特性中的零溫度系數點，在此點之后，隨著溫度增加，移動性降低并且電流下降。漏極電流的PTC區域可能導致熱失控的風險增加，特別是在較高漏極偏置下，并將器件的安全工作區域(SOA)限制在理論極限以下。這被稱為Spirito效應。由于GaN HEMT在不同溫度下的Vth特性非常穩定，與硅MOSFET相比，它表現出很少的Spirito效應，導致在溫度范圍內的穩定SOA。

　　BMS中的VGaN器件

　　Innoscience利用上述GaN HEMT的這些優勢，創造了稱為VGaN的雙向器件。該器件的主要應用目標是在BMS中作為過電壓保護(OVP)負載開關。以筆記本電腦電池充電系統為例。現代筆記本電腦的充電可以通過USB端口或無線方式進行。筆記本電腦需要雙向功能，例如為手機提供充電電力。每個充電通道所需的OVP電路至少需要四個硅MOSFET來實現雙向性。使用兩個GaN BDS器件即可完成。在此應用中BDS器件的一些要求是：

　　低導通損耗。BDS通常是開啟的，僅在系統檢測到過電壓時關閉。因此，低RDS(on)是一個重要考慮因素。

　　小占用空間。移動設備通常受空間和重量限制。

　　低待機泄漏。這減少了在不充電時這些設備可能對電池造成的負擔。

　　低成本：這是任何消費電子設備中的關鍵要求。

　　Innoscience推出了一系列電壓等級從40 V到100 V的VGaN器件。40-V的設備可以，例如，用于智能手機電池OVP應用。40-V產品線特征為RDS(on)在1.2 mΩ到12 mΩ之間變化的VGaN器件。INN040W048A是一款4.8-mΩ、20-A VGaN器件，封裝在小型WLCSP 2.1 × 2.1-mm中。其作為OVP在商業應用中的一個例子是在OnePlus 11R智能手機中的應用公告中展示的，如圖1所示。這繼VGaN設備在其他手機如OPPO Reno7 Pro和RealMe GT2大師版中的使用之后。VGaN在節省空間方面達到了64%，同時在充電過程中也減少了85%的峰值功率加熱。

圖1

　　低待機泄漏是OVP設備的一個關鍵指標，Innoscience修改了標準單向HEMT工藝和設計，以在其VGaN設備中滿足這一要求。如圖2所示，通過外延和設計修改的組合可以減少柵極泄漏。INN040W048A在85°C溫度下的最大5-V柵極對漏極泄漏規范為3 μA。

圖2

　　VGaN產品如INN040W048A經歷了完整的JEDEC可靠性測試套件。需要高漏極偏置的測試，如標準高溫反向偏置(HTRB)及其高濕度版本(H3TRB)，在兩個漏極節點上以32-V漏極偏置進行測試，以確保可靠的雙向阻擋。此外，還進行了加速壽命測試，如圖3所示。這些測試表明，在5 V、125°C下，10 ppm的柵極失效率超過20年。加速高漏極偏置關斷狀態可靠性研究推算出在32-V漏極偏置下的10 ppm失效率壽命超過10,000年。

圖3

　　Innoscience還生產100-V VGaN器件，目標是許多48-V電池應用，包括電動自行車和能源存儲系統。INN100FQ030A是一款100-V、3.2-mΩ BDS，采用FCQFN 4 × 6-mm封裝。圖4顯示了與使用100-V硅MOSFET相比，該器件的尺寸優勢。在100 A電流下進行的測試顯示，與硅MOSFET相比，VGaN的結溫增加小得多，僅為4.7°C，而硅MOSFET則為11°C。這歸因于GaN設備的穩定Vth及其隨溫度變化的跨導減小。

圖4

　　Innoscience創建了一個48-V/180-A BMS高側演示板。它使用16個并聯的INV100FQ030A設備，提供充電和放電同端口電池保護。無需外部散熱器，最大溫度上升被保持在或低于50°C。應用包括電動二輪車和能源存儲系統。

　　VGaN器件利用GaN HEMT的優勢用于新型應用，如BMS中的OVP。VGaN器件在智能手機和其他移動設備中的使用也利用了其8英寸GaN-on-silicon工廠的高產量制造能力。VGaN的優勢使其能夠用于許多需要電池的其他應用，如能源存儲系統和二輪車。

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