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(yīng)用中實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)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(dòng)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(qiáng)模式操作。

p 柵極 GaN HEMT 面臨的一些挑戰(zhàn)

在創(chuàng)建增強(qiáng)型 GaN 技術(shù)的各種選項(xiàng)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(jìn)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(fēng)險(xiǎn)。這種風(fēng)險(xiǎn)通常需要使用負(fù)關(guān)斷狀態(tài)柵極電壓 (V GS ) 驅(qū)動(dòng)。另一個(gè)限制來自開啟時(shí)使用更高電壓柵極驅(qū)動(dòng)所造成的可靠性問題。柵極觸點(diǎn)通常在 V GS > 7 V 時(shí)開始導(dǎo)通。陷阱相關(guān)效應(yīng)會產(chǎn)生閾值電壓變化，熱載流子也會導(dǎo)致動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻 (RDSon) 增加。這為導(dǎo)通狀態(tài) V GS創(chuàng)造了一個(gè)上限窗口，通常在 6.5 V 左右。

導(dǎo)通狀態(tài) Vgs 的下限窗口可由 RDSon 設(shè)置，通常需要 > 4V 左右才能達(dá)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(dòng)的裕度非常有限(大約 1 V)?；隍?qū)動(dòng) Si MOSFET 的標(biāo)準(zhǔn)柵極驅(qū)動(dòng)器無法輕松使用，需要多個(gè)外部組件，因此會增加轉(zhuǎn)換器電路板的復(fù)雜性和成本。電路板設(shè)計(jì)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(dòng)器接口的 GaN 器件會增加這種復(fù)雜性。

集成式 GaN 解決方案

Cambridge GaN Devices 是一家無晶圓廠半導(dǎo)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(hù)電路被單片集成到單個(gè)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(fù)責(zé)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(yán)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(dá)到約 2.7 V(這是集成器件 V th)，此時(shí) V Gi約為 1.6 V。對于高于此值的電壓(當(dāng) V G < 7 V 時(shí))，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(dāng) V G > 7V 時(shí)，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(biāo)準(zhǔn)柵極驅(qū)動(dòng)器可用于外部 V G 。ICeGaN? 接口的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，相對于高溫，鉗位電路在低溫下高 V G值時(shí)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(jī)制之一。

米勒箝位是動(dòng)態(tài)操作下的重要保護(hù)裝置。該裝置具有可調(diào)狀態(tài)，因此當(dāng)功率 GaN 開啟時(shí)，它在正常條件下處于高阻抗關(guān)閉狀態(tài)。在關(guān)閉時(shí)，它能夠?qū)?V Gi強(qiáng)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(qiáng)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(tuán)隊(duì)進(jìn)行的這項(xiàng)研究中，他們研究了 ICeGaN? 的動(dòng)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(jìn)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(fù)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(dāng) S1 關(guān)閉時(shí)，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(jìn)行調(diào)制，過沖可以通過 S1 的導(dǎo)通時(shí)間進(jìn)行調(diào)制。這項(xiàng)工作中使用的寬度為 20 ns。這些設(shè)備在 25 o C 和 150 o C 下進(jìn)行了測試。使用的另一個(gè)變量是 V DDICeGaN? 芯片的電源。在一種情況下，該電壓設(shè)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(hù)電路中的過壓應(yīng)力。

動(dòng)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(yīng)力電壓。所得結(jié)果如圖 3 中的表格所示。當(dāng)過壓直接施加到內(nèi)部柵極時(shí)，可獲得 33-35 V 的 BV G, DYN值，而當(dāng)應(yīng)力施加到 ICeGaN? 的外部柵極引腳且 V DD為 20 V時(shí)，該值會增加到 66-72 V。當(dāng) V DD引腳短路到外部柵極時(shí)，BV G, DYN進(jìn)一步增加到 84 -92 V。在 VDD 由外部 20 V 電源驅(qū)動(dòng)的情況下進(jìn)行的故障分析表明，ICeGaN? 芯片中的 ESD 保護(hù)模塊可能是故障模塊。故障時(shí)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(dǎo)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(hù)。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(yīng)用中使用 ICeGaN? 器件而言是一項(xiàng)重要優(yōu)勢。