將E模式GaNFET與基于GaN的柵極調(diào)節(jié)電路集成，可以顯著提高GaN開關(guān)的柵極驅(qū)動可靠性和兼容性，同時(shí)保持快速開關(guān)特性，并減輕由于共封裝相關(guān)的寄生組件引起的振鈴現(xiàn)象。

　　級聯(lián)和E模式GaNFET的發(fā)展與可靠性

　　級聯(lián)GaN(如圖1(a)所示)的結(jié)構(gòu)結(jié)合了一個(gè)低壓的常關(guān)硅MOSFET和一個(gè)高壓的常開GaN HEMT，形成級聯(lián)配置。這種組合有效地實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)模式行為，該技術(shù)自2010年代初期以來已商業(yè)化。硅MOSFET的柵極閾值電壓通常為4 V，相較于本土GaN解決方案，它簡化了柵極驅(qū)動要求，因?yàn)檫@些級聯(lián)GaN通常可以用標(biāo)準(zhǔn)的硅柵極驅(qū)動器驅(qū)動。此外，硅MOSFET的混合特性可以增強(qiáng)可靠性。硅的已知特性和行為可被用來保護(hù)更敏感的GaN HEMT的柵極，降低因高電壓尖峰或不當(dāng)柵極電壓導(dǎo)致的故障風(fēng)險(xiǎn)。

圖1

　　然而，硅MOSFET在GaN HEMT的柵極與源極之間的額外并聯(lián)，將顯著增加級聯(lián)GaN器件的有效輸入電容，這在很大程度上犧牲了快速開關(guān)特性，這是與SIC MOSFET相比最突出的優(yōu)點(diǎn)之一。更糟糕的是，硅MOSFET與D模式GaN的串聯(lián)連接用于共封裝，將導(dǎo)致額外的寄生電感，這會導(dǎo)致開關(guān)波形中的更多振鈴和超調(diào)，影響整體性能并引發(fā)電磁干擾(EMI)方面的擔(dān)憂。

　　E模式GaNFET(如圖1(b)所示)采用p型GaN柵極結(jié)構(gòu)，提供正閾值電壓，使其在單芯片解決方案中天然常關(guān)。這對于需要故障安全操作的電源應(yīng)用至關(guān)重要。E模式GaNFET通常表現(xiàn)出非常低的柵極電荷和電容，而無需額外組件，從而實(shí)現(xiàn)更快的開關(guān)速度和減少開關(guān)損耗。它們在需要高頻操作的應(yīng)用中效率極高。

　　盡管如此，p型GaN柵極的典型柵極閾值電壓為1.4 V，可能會因噪聲或柵極電壓波動導(dǎo)致意外的器件開啟和系統(tǒng)故障。此外，典型的驅(qū)動范圍為-10 V至7 V，與大多數(shù)其他功率器件的驅(qū)動電壓(需要12-18 V)不兼容，導(dǎo)致從其他功率開關(guān)切換到GaN HEMT變得困難。最后，由于p型GaN柵極尚未成熟且更脆弱，長期可靠性和閾值電壓穩(wěn)定性方面存在擔(dān)憂。

　　全GaN集成電路解決方案：柵極閾值電壓與驅(qū)動范圍的飛躍

　　GaNPower International創(chuàng)新了一種全GaN集成電路方法，將柵極閾值電壓從1.4 V提升至令人印象深刻的3.5-4.0 V，驅(qū)動范圍擴(kuò)展至±20 V。一個(gè)專有的基于GaN的柵極調(diào)節(jié)電路已與功率GaNFET單芯片單片集成。如圖2(a)所示，這一創(chuàng)新使新的E模式GaN與硅和SiC MOSFET的引腳排列、閾值電壓和驅(qū)動范圍相匹配，因此被稱為“引腳對引腳”(P2P)，具有卓越的兼容性。P2P技術(shù)結(jié)合了級聯(lián)GaN和E模式GaN的優(yōu)點(diǎn)，旨在在不大幅犧牲GaN功率開關(guān)快速開關(guān)優(yōu)勢的情況下，實(shí)現(xiàn)更可靠的柵極驅(qū)動。

　　根據(jù)圖2(b)所示的LTSpice模擬結(jié)果，P2P GaN開關(guān)的柵極閾值電壓已提升至約4 V，其柵極電壓在0-20 V PWM輸入下也被有效夾持在7 V以下。

圖2

　　室溫下的靜態(tài)IdVg測量結(jié)果(如圖3所示)也驗(yàn)證了P2P GaN的柵極閾值電壓(3.6 V)相較于沒有基于GaN的柵極調(diào)節(jié)電路的正常E模式GaN的提升。

圖3

　　展示卓越的開關(guān)性能

　　建立了一個(gè)雙脈沖測試平臺，配備定制的空氣心128 μH負(fù)載電感器、自由輪回的SiC二極管以及可靠的電壓鉗位電路，以準(zhǔn)確測量動態(tài)Rdson，從而評估P2P GaN的突發(fā)模式開關(guān)性能。

　　在12 V PWM輸入和900 V總線電壓下，所有的開關(guān)波形(Vgs、Vds和Ids，如圖4所示)都很干凈，沒有明顯的振鈴或超調(diào)。此外，動態(tài)Rdson在室溫下也保持在合理范圍內(nèi)，最大可達(dá)33 A(其電流額定值)，這一點(diǎn)可以從夾持的Vds波形中觀察到。另一個(gè)在125°C相似加載條件下進(jìn)行的雙脈沖測試顯示出可比的開關(guān)波形，證明了基于GaN的柵極調(diào)節(jié)電路的熱穩(wěn)定性良好。

圖4

　　為持續(xù)硬開關(guān)評估P2P GaN，建立了一個(gè)100 KHz半橋Buck測試平臺，配備高飽和度的環(huán)形電源電感器和40歐姆的高功率電阻負(fù)載。兩個(gè)GP65R45T4器件與合適的散熱器安裝在主測試板上，并在測試期間使用了適當(dāng)?shù)娘L(fēng)扇冷卻。

　　根據(jù)圖5(a)所示的效率報(bào)告，在12 V PWM輸入和200-550 V總線電壓下，基于P2P GaN的Buck轉(zhuǎn)換器達(dá)到了97.42%的峰值效率，最大功率輸出為3.7 kW。圖5(b)顯示了在450 V總線電壓下，峰值效率時(shí)開關(guān)波形的良好持續(xù)性，沒有顯著振鈴和超調(diào)。

圖5

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