功率轉(zhuǎn)換器中使用的氮化鎵 (GaN) 器件具有多種優(yōu)勢，包括更高的效率、功率密度和高頻開關(guān)。橫向 GaN 高電子遷移率晶體管 (HEMT) 功率器件在此類應用中實現(xiàn)了強勁的市場增長。這種本質(zhì)上為耗盡模式的器件的柵極驅(qū)動具有挑戰(zhàn)性，有許多解決方案可以將其轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)健的增強模式操作。

p 柵極 GaN HEMT 面臨的一些挑戰(zhàn)

在創(chuàng)建增強型 GaN 技術(shù)的各種選項中，p 柵極 GaN HEMT 已成為一種流行的器件選擇。在柵極金屬下添加摻雜鎂的 p 型層有助于將帶隙以及器件的閾值電壓 V th移至正范圍。該器件的肖特基金屬勢壘版本 (SP-HEMT) 已被許多器件制造商和代工廠商業(yè)化，電壓等級范圍從 15 到 650 V。該器件的 V th通常低于 2V。這種低 Vth 會使器件更容易受到噪聲的影響，尤其是這些器件能夠進行的高頻、高壓擺率切換產(chǎn)生的瞬變。

器件的寄生開啟是漏極-柵極米勒電容耦合的風險。這種風險通常需要使用負關(guān)斷狀態(tài)柵極電壓 (V GS ) 驅(qū)動。另一個限制來自開啟時使用更高電壓柵極驅(qū)動所造成的可靠性問題。柵極觸點通常在 V GS > 7 V 時開始導通。陷阱相關(guān)效應會產(chǎn)生閾值電壓變化，熱載流子也會導致動態(tài)導通電阻 (RDSon) 增加。這為導通狀態(tài) V GS創(chuàng)造了一個上限窗口，通常在 6.5 V 左右。

導通狀態(tài) Vgs 的下限窗口可由 RDSon 設置，通常需要 > 4V 左右才能達到飽和低電平。因此，整體操作窗口可能很小(4V – 6.5V)。因此，柵極過驅(qū)動的裕度非常有限(大約 1 V)?；隍?qū)動 Si MOSFET 的標準柵極驅(qū)動器無法輕松使用，需要多個外部組件，因此會增加轉(zhuǎn)換器電路板的復雜性和成本。電路板設計和布局對于保持電感路徑較小至關(guān)重要，而使用噪聲裕度低且需要許多外部組件與柵極驅(qū)動器接口的 GaN 器件會增加這種復雜性。

集成式 GaN 解決方案

Cambridge GaN Devices 是一家無晶圓廠半導體公司，開發(fā)了一系列額定電壓為 650 V 的硅基 GaN 功率器件。一種稱為 ICeGaN? 的新型柵極接口以及感測和保護電路被單片集成到單個芯片解決方案中。圖 1 顯示了 ICeGaN? 電路的原理框圖。主功率 HEMT 是肖特基 p 柵極 GaN HEMT，額定電壓為 650V，V th約為 1.6V。

輔助低壓 GaN HEMT 與電流源和電壓限制器一起負責吸收大部分外部施加的柵極電壓。因此，功率 HEMT 器件柵極上的電壓(稱為圖 1 中的內(nèi)柵極或 V Gi)受到嚴格控制。該電路確保功率 HEMT 不會打開，直到外部柵極電壓 V G達到約 2.7 V(這是集成器件 V th)，此時 V Gi約為 1.6 V。對于高于此值的電壓(當 V G < 7 V 時)，V Gi遵循輔助 HEMT 柵極電壓 V G,aux，根據(jù)公式 V Gi = V G,aux– V GS,aux。當 V G > 7V 時，V G, aux被鉗位在恒定電壓，因此 V Gi被限制在 5.5 V 左右。

圖 1：ICeGaN? 電路原理框圖

圖 2 顯示了 V G和 V Gi之間的關(guān)系。因此，標準柵極驅(qū)動器可用于外部 V G 。ICeGaN? 接口的另一個優(yōu)點是，相對于高溫，鉗位電路在低溫下高 V G值時會降低 V Gi ，從而最大限度地減少了 GaN HEMT 1中出現(xiàn)的退化機制之一。

米勒箝位是動態(tài)操作下的重要保護裝置。該裝置具有可調(diào)狀態(tài)，因此當功率 GaN 開啟時，它在正常條件下處于高阻抗關(guān)閉狀態(tài)。在關(guān)閉時，它能夠?qū)?V Gi強力拉至 0 V，加速關(guān)閉并最大限度地減少柵極電荷。米勒箝位還可在外部瞬變和快速開關(guān)事件期間提供強大的抗寄生開啟能力。

圖 2：ICeGaN? 電路中V G和 V Gi之間的關(guān)系

柵極過壓穩(wěn)定性

在王教授及其團隊進行的這項研究中，他們研究了 ICeGaN? 的動態(tài)柵極過壓邊界。他們使用了 650V/130 mΩ ICeGaN? 產(chǎn)品。智能接口由外部 12 – 20 VV DD電壓供電，如圖 1 所示。在 V G或 V Gi處會產(chǎn)生諧振電壓過沖，這模仿了電源轉(zhuǎn)換器中可以看到的柵極過沖。測試在靜態(tài)條件下進行，其中功率 GaN 漏極-源極接地(稱為 DSG，V DS = 0V)，模仿零電壓開關(guān)情況，以及在 400 V 總線電壓和電感負載下的硬開關(guān) (HSW) 條件。測試平臺原理圖如圖 3 所示。

圖 3：用于柵極過壓穩(wěn)定性的測試平臺及總結(jié)結(jié)果

該測試電路通過在柵極環(huán)路電感器 L G中積累能量來產(chǎn)生過沖，該電感器由 0.5 VV CC電源電壓充電。開關(guān) S1 是低壓 GaN HEMT。當 S1 關(guān)閉時，L G中的能量會產(chǎn)生諧振過沖，諧振由 L G以及 ICeGaN? 的輸入電容與 S1 的輸出電容之和產(chǎn)生。過沖的脈沖寬度可以通過 L G值進行調(diào)制，過沖可以通過 S1 的導通時間進行調(diào)制。這項工作中使用的寬度為 20 ns。這些設備在 25 o C 和 150 o C 下進行了測試。使用的另一個變量是 V DDICeGaN? 芯片的電源。在一種情況下，該電壓設置為 20 V，而在另一種情況下，該電壓與外部柵極電源相連。后一種情況可消除 ESD 保護電路中的過壓應力。

動態(tài)柵極過壓穩(wěn)定性通過參數(shù) BV G, DYN來衡量，該參數(shù)表示部件發(fā)生故障前的最大柵極過應力電壓。所得結(jié)果如圖 3 中的表格所示。當過壓直接施加到內(nèi)部柵極時，可獲得 33-35 V 的 BV G, DYN值，而當應力施加到 ICeGaN? 的外部柵極引腳且 V DD為 20 V時，該值會增加到 66-72 V。當 V DD引腳短路到外部柵極時，BV G, DYN進一步增加到 84 -92 V。在 VDD 由外部 20 V 電源驅(qū)動的情況下進行的故障分析表明，ICeGaN? 芯片中的 ESD 保護模塊可能是故障模塊。故障時的參數(shù)特性顯示柵極-源極短路。在 VDD 短路至外部柵極的情況下發(fā)生的故障顯示故障后傳輸特性的變化很小。此處的故障歸因于米勒鉗位的退化，導致軟故障。

BV G, DYN中顯示的顯著提升表明 ICeGaN? 柵極接口提供了出色的柵極保護。通過集成解決方案提高柵極穩(wěn)健性對于在電源轉(zhuǎn)換器應用中使用 ICeGaN? 器件而言是一項重要優(yōu)勢。