將E-Mode GaNFET與基于GaN的門極調(diào)節(jié)電路整合，可以顯著提升GaN開關(guān)的門驅(qū)動(dòng)可靠性和兼容性，同時(shí)保持快速開關(guān)特性，并減輕因共同封裝相關(guān)的寄生元件所引起的振鈴現(xiàn)象。

　　級(jí)聯(lián)和E-Mode GaNFET的演變與可靠性

　　級(jí)聯(lián)GaN(如圖1(a)所示)將低電壓常關(guān)硅MOSFET與高電壓常開GaN HEMT以級(jí)聯(lián)配置結(jié)合在一起。該組合有效地實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)模式行為，這項(xiàng)技術(shù)自2010年代初期以來已投入商業(yè)應(yīng)用。硅MOSFET的門閾電壓普遍為4 V，相比于本土GaN解決方案，不僅簡(jiǎn)化了門驅(qū)動(dòng)要求，還使這些級(jí)聯(lián)GaN通?？梢杂脴?biāo)準(zhǔn)硅門驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。此外，硅MOSFET的混合特性可以提升可靠性?？梢岳霉璧囊阎匦院托袨閬肀Ｗo(hù)更為敏感的GaN HEMT的門極，降低因高電壓尖峰或不當(dāng)?shù)拈T電壓造成的故障風(fēng)險(xiǎn)。

圖1

　　然而，位于GaN HEMT的門極和源極之間的額外硅MOSFET會(huì)顯著增加級(jí)聯(lián)GaN器件的有效輸入電容，從而大大犧牲了快速開關(guān)特性，這也是其相較于SIC MOSFET的一個(gè)突出優(yōu)勢(shì)。更糟糕的是，硅MOSFET與D-mode GaN的串聯(lián)連接用于共同封裝，會(huì)導(dǎo)致額外的寄生電感，從而在開關(guān)波形中產(chǎn)生更多的振鈴和過沖，影響整體性能并引發(fā)對(duì)電磁干擾(EMI)的擔(dān)憂。

　　E-mode GaNFET(如圖1(b)所示)采用p型GaN門結(jié)構(gòu)，提供正門閾電壓，使得該器件在單芯片解決方案中固有地保持常關(guān)狀態(tài)。這對(duì)于需要安全操作的電力應(yīng)用至關(guān)重要。E-mode GaNFET通常表現(xiàn)出非常低的門電荷和電容，無需額外組件，從而實(shí)現(xiàn)更快的開關(guān)速度，減少開關(guān)損耗，特別適用于需要高頻操作的應(yīng)用。

　　盡管如此，p型GaN門的典型門閾電壓為1.4 V，這可能由于噪聲或門電壓波動(dòng)導(dǎo)致意外開啟器件及系統(tǒng)故障。此外，典型的驅(qū)動(dòng)范圍為-10 V至7 V，與大多數(shù)其他功率器件的驅(qū)動(dòng)電壓(通常需要12-18 V)不兼容，使得從其他功率開關(guān)切換到GaN HEMT變得困難。最后，p型GaN門尚不成熟，更為脆弱，因此對(duì)其長期可靠性和閾電壓穩(wěn)定性存在顧慮。

　　全GaN集成電路解決方案：門閾電壓和驅(qū)動(dòng)范圍的飛躍

　　GaNPower International創(chuàng)新了一種全GaN集成電路(All-GaN-IC)方法，將門閾電壓從1.4 V提升至令人印象深刻的3.5-4.0 V，擴(kuò)展了可達(dá)±20 V的驅(qū)動(dòng)范圍。一個(gè)專有的基于GaN的門調(diào)節(jié)電路已與功率GaNFET單芯片單體集成。這一創(chuàng)新(如圖2(a)所示)使新的E-Mode GaN與硅和SiC MOSFET的引腳輸出、閾電壓和驅(qū)動(dòng)范圍相一致，因此得名“引腳對(duì)引腳”(P2P)，以其卓越的兼容性而聞名。P2P技術(shù)結(jié)合了級(jí)聯(lián)GaN和E-mode GaN的優(yōu)點(diǎn)，旨在實(shí)現(xiàn)更可靠的門驅(qū)動(dòng)，同時(shí)不會(huì)大幅犧牲GaN功率開關(guān)的快速開關(guān)優(yōu)勢(shì)。

　　根據(jù)圖2(b)中顯示的LTSpice模擬結(jié)果，P2P GaN開關(guān)的門閾電壓已提升至約4 V，其門電壓通過全GaN集成電路的0-20 V PWM輸入被適當(dāng)?shù)叵拗圃? V以下。

圖2

　　在室溫下進(jìn)行的靜態(tài)IdVg測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果(如圖3所示)也驗(yàn)證了P2P GaN的門閾電壓(3.6 V)得到了增強(qiáng)，相比于沒有基于GaN的門調(diào)節(jié)電路的普通E-mode GaN。

圖3

　　展示優(yōu)越的開關(guān)性能

　　為評(píng)估P2P GaN的突發(fā)模式開關(guān)性能，建立了一個(gè)雙脈沖測(cè)試平臺(tái)，配備定制的空氣核心128 μH負(fù)載電感器、自由輪回的SiC二極管和可靠的電壓鉗位電路，以便準(zhǔn)確測(cè)量動(dòng)態(tài)Rdson。

　　在12 V PWM輸入和900 V總線電壓下，所有開關(guān)波形(Vgs、Vds和Ids，如圖4所示)均無明顯的振鈴或過沖。此外，動(dòng)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)，可以從鉗位的Vds波形中觀察到。在125°C下，在類似負(fù)載條件下進(jìn)行的另一次雙脈沖測(cè)試顯示出可比的開關(guān)波形，表明基于GaN的門調(diào)節(jié)電路具有良好的熱穩(wěn)定性。

圖4

　　為對(duì)P2P GaN進(jìn)行連續(xù)硬開關(guān)評(píng)估，搭建了一個(gè)100 KHz半橋Buck測(cè)試平臺(tái)，采用高飽和環(huán)形電源電感和恒定40歐姆高功率電阻負(fù)載。在主測(cè)試板上安裝了兩臺(tái)GP65R45T4器件，并在測(cè)試過程中采用了適當(dāng)?shù)娘L(fēng)扇冷卻。

圖5

　　根據(jù)圖5(a)中顯示的效率報(bào)告，在12 V PWM輸入和200-550 V總線電壓下，基于P2P GaN的Buck變換器實(shí)現(xiàn)了97.42%的峰值效率，最大功率輸出為3.7 kW。圖5(b)顯示出在450 V總線電壓下，達(dá)到峰值效率時(shí)，開關(guān)波形良好，無顯著振鈴和過沖現(xiàn)象。

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