新的GaN技術(shù)簡化了驅(qū)動(dòng)基于GaN的HEMT

在可用于 GaN 晶體管的不同結(jié)構(gòu)中，橫向結(jié)構(gòu)是目前使用最廣泛的。氮化鎵高電子遷移率晶體管 (HEMT)是使用二維電子氣作為晶體管通道的橫向器件。這些器件允許功率電路（例如轉(zhuǎn)換器）實(shí)現(xiàn)高效率和高功率密度。由于具有非常低的特定導(dǎo)通電阻，基于 GaN 的橫向晶體管可以在高開關(guān)頻率下工作，從而實(shí)現(xiàn)非常緊湊的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)人員通常首選常關(guān)晶體管，因?yàn)樗鼈兛梢员ＷC電力電子系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

雖然乍一看似乎比較簡單，但這些器件的柵極驅(qū)動(dòng)器電路需要仔細(xì)設(shè)計(jì)。首先，通常關(guān)閉的基于 GaN 的 HEMT 需要負(fù)電壓來將其關(guān)閉并將其保持在關(guān)閉狀態(tài)，從而避免意外開啟。這就是為什么此功能通常集成在市場上的商用柵極驅(qū)動(dòng)器中的原因。需要負(fù)電壓的另一個(gè)原因是 GaN HEMT 晶體管具有非常低的閾值電壓 (1.2–1.5 V)，并且不希望的開啟非常常見，尤其是在布局未優(yōu)化的情況下。此外，這些器件的最大柵極電壓約為 6.0–6.5 V，因此需要適當(dāng)?shù)你Q位電路來將該電壓保持在閾值限制以下，從而避免潛在的故障甚至損壞。

ICeGaN技術(shù)

Cambridge GaN Devices (CGD) 是一家公司，由首席執(zhí)行官 Giorgia Longobardi 和首席技術(shù)官 Florin Udrea 在劍橋大學(xué)進(jìn)行了近十年的前沿研發(fā)后于 2016 年創(chuàng)立。CGD 可以依靠在功率半導(dǎo)體領(lǐng)域擁有廣泛而長期經(jīng)驗(yàn)的專業(yè)團(tuán)隊(duì)，包括基于 GaN 的器件的設(shè)計(jì)和可靠性方面。

CGD 業(yè)務(wù)發(fā)展副總裁 Andrea Bricconi 在接受 Power Electronics News 采訪時(shí)表示：“我們公司專注于兩個(gè)目標(biāo)：通過提供易于使用的氮化鎵解決方案和可靠的。”

除了開發(fā)創(chuàng)新的器件、封裝和電力電子板外，CGD 還領(lǐng)導(dǎo)國際項(xiàng)目，例如 GaNext，這是國際合作的典范。由 CGD 協(xié)調(diào)的 13 個(gè)合作伙伴組成的這個(gè)歐洲項(xiàng)目的唯一目標(biāo)是創(chuàng)建 GaN 功率模塊的原型，以解決低功率和高功率應(yīng)用。

“今天的 GaN 市場正在蓬勃發(fā)展，從 1 kW 以下的消費(fèi)領(lǐng)域開始。GaNext 項(xiàng)目旨在證明基于 GaN 的功率模塊可以成功構(gòu)思并應(yīng)用于各種低功率和高功率應(yīng)用，例如車載充電器 (OBC)、照明用LED 驅(qū)動(dòng)器、光伏逆變器以及長期的牽引逆變器；最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)全面的功率密度飛躍，”布里科尼說。

CGD 制定的路線圖預(yù)計(jì)其基于 GaN 的器件將在 2022 年進(jìn)入商業(yè)化階段，屆時(shí) 650-V/750-V 功率晶體管將進(jìn)入市場。ICeGaN 技術(shù)由一個(gè)功率晶體管組成，該晶體管具有單片集成的智能接口，用于傳感/保護(hù)、易用性和增強(qiáng)的柵極可靠性。憑借 3 V 的閾值電壓，這些增強(qiáng)型單芯片晶體管可以以高達(dá) 20 V 的柵極電壓驅(qū)動(dòng)，就像它們是普通的 MOSFET 一樣。為了完成這項(xiàng)任務(wù)，CGD 將得到臺(tái)積電（全球最大的半導(dǎo)體代工廠）的支持，這對初創(chuàng)公司來說是一大優(yōu)勢。

根據(jù) Bricconi 的說法，由于其橫向結(jié)構(gòu)，硅上 GaN 比硅和碳化硅提供了更簡單的集成。這反過來又允許設(shè)計(jì)人員將更多功能（例如多芯片和邏輯）集成到同一芯片中。

CGD的ICeGaN應(yīng)用示意圖如圖1所示。該技術(shù)的優(yōu)勢可以總結(jié)如下：

它支持使用標(biāo)準(zhǔn) MOSFET 驅(qū)動(dòng)器和/或控制器。

毫不妥協(xié)的 GaN 開關(guān)性能或 RDS (on)

其他智能功能

應(yīng)用優(yōu)化機(jī)會(huì)

它有DV/DT控制。

它仍然需要由外部 IC 驅(qū)動(dòng)。

圖 1：ICeGaN 應(yīng)用圖

ICeGaN 技術(shù)的目標(biāo)是將邏輯（圖 1 中的綠框）集成到強(qiáng)大的、最先進(jìn)的增強(qiáng)型 GaN HEMT 中。這為用戶帶來了兩個(gè)好處：

易于使用：CGD 的 GaN HEMT 可以輕松連接到驅(qū)動(dòng)器和控制器。

節(jié)省成本：不需要額外的組件、電壓鉗位或昂貴的柵極驅(qū)動(dòng)器。

圖 2 顯示了標(biāo)準(zhǔn) GaN HEMT 和 ICeGaN HEMT 之間的比較。對于標(biāo)準(zhǔn) GaN 器件，柵極驅(qū)動(dòng)困難、耗時(shí)且成本高昂。此外，柵極電壓被限制在約 6-7 V 的最大值，此后禁區(qū)開始。反之，CGD 的 GaN HEMT 具有足夠高的閾值電壓，并且柵極電壓可以擴(kuò)展到大約 20 V，而不會(huì)影響器件的可靠性。

圖 2：I CeGaN 結(jié)合了 Cascode 和 eMode 的美感

圖 3：ICeGaN 傳輸特性與標(biāo)準(zhǔn) eMode

傳統(tǒng) GaN 器件的平均柵極閾值電壓約為 1.4 V，在關(guān)斷狀態(tài)下需要 –3 V 的典型柵極源極電壓 (V gs )，在導(dǎo)通狀態(tài)下需要介于 4 V 和 6 V 之間。CGD ICeGaN 器件在關(guān)斷狀態(tài)下要求 V gs為 0 V（內(nèi)置米勒鉗位），在導(dǎo)通狀態(tài)下需要介于 8 V 和 20 V 之間，與任何柵極驅(qū)動(dòng)器和控制器兼容。

正如 Bricconi 所指出的，CGD 認(rèn)為柵極驅(qū)動(dòng)器的單片集成在低功率方面非常出色，但很難擴(kuò)展到高功率。

“我們的 ICeGaN 技術(shù)使我們能夠添加新功能，例如集成電流感應(yīng)，”布里科尼說?！坝脩艨梢愿鼡Q外部檢測電阻，從而將功率器件接地，大大改善冷卻路徑?！?/p>

目前，CGD 正致力于消費(fèi)市場，部分致力于工業(yè)市場（功率水平高于 1 kW 的數(shù)據(jù)通信和電信應(yīng)用）。前者提供的障礙較少，但給成本帶來了很大壓力。關(guān)于汽車，布里科尼說，這個(gè)市場的設(shè)計(jì)周期大約為幾年?！笆着鋫?GaN 晶體管的汽車將在 2024 年至 2025 年之前問世。

盡管需要高度的可靠性，但事實(shí)證明，使用 GaN 可以使 OBC 的功率密度翻倍。

數(shù)據(jù)通信

Cambridge GaN Devices 宣布啟動(dòng) ICeData，該項(xiàng)目由英國商業(yè)、能源和工業(yè)戰(zhàn)略部 (BEIS) 資助，旨在開發(fā)和商業(yè)化用于數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的高效 GaN 基集成電路 (IC)電源。數(shù)據(jù)中心目前消耗全球約 2% 的能源，2018 年的年用電量為 400 TWh，預(yù)計(jì)到本十年末將翻一番。GaN 結(jié)合了更高的效率和更高的功率密度，有望節(jié)省高達(dá) 10% 的投資和運(yùn)行費(fèi)用。

該項(xiàng)目的目標(biāo)是開發(fā)GaN功率IC技術(shù)，將數(shù)據(jù)中心服務(wù)器電源效率提高到98%以上。IceData 將幫助 CGD 提供專為數(shù)據(jù)中心和電信服務(wù)器的開關(guān)模式電源設(shè)計(jì)的 GaN 解決方案，到 2030 年，這將有助于每年減少超過 8 兆噸的 CO 2 。

CGD 估計(jì)，到 2026 年，全球功率 GaN 市場將增長到超過 10 億美元，這主要得益于電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車對更輕、更高效的電源以及更緊湊、更強(qiáng)大的 OBC 的需求。CGD第一條采用ICeGaN技術(shù)的產(chǎn)品線將于2022年上半年發(fā)布。


審核編輯：劉清