氮化鎵 (GaN) 功率器件在幾個關(guān)鍵性能指標上都優(yōu)于硅 (Si)。具有低本征載流子濃度的寬帶隙允許更高的臨界電場，從而允許在更高的擊穿電壓下具有降低的特定導通電阻 (Rds on ) 的更薄的漂移層。導通損耗可以通過較低的 Rdson 降低，而動態(tài)損耗可以通過GaN可能的更小的裸片尺寸來降低. 當它與鋁基異質(zhì)結(jié)構(gòu)結(jié)合時形成二維電子氣 (2DEG) 的能力導致了備受青睞的高電子遷移率晶體管 (HEMT) 功率器件。固有的高飽和速度以及高 2DEG 遷移率使高頻開關(guān)成為可能，并具有較小磁性的相應優(yōu)勢。由于 HEMT 中缺少體二極管而導致的損耗降低，以及它們的節(jié)點電容降低，允許高轉(zhuǎn)換速率開關(guān)，這可以轉(zhuǎn)化為更低的開關(guān)損耗，從而大大提高電源轉(zhuǎn)換效率。

氮化鎵的主要特點：

?氮化鎵的帶隙為 3.2 電子伏特 (eV)，幾乎是等于 1.1 eV 的硅的三倍。

?在電壓高達 650V 的電源應用中，GaN 可以與當前的 MOSFET 和超結(jié) (SJ) MOSFET 競爭。

?GaN HEMT(高電子遷移率晶體管)提供出色的 RDS(開)和品質(zhì)因數(shù) (FOM)。根據(jù)電壓和電流額定值，品質(zhì)因數(shù)可能比超結(jié) (SJ) FET 低 4 到 10 倍。

?GaN 的擊穿場為 3.3 MV/cm，而硅的擊穿場為 0.3 MV/cm。

耗盡模式 (d-mode) 和增強模式 (e-mode) 形成了兩大類橫向 HEMT 器件。最近，人們對針對更高電壓 (> 900V) 應用的垂直 GaN 器件產(chǎn)生了興趣。圖 1 顯示了這三個設備類別的表示，我們將在接下來更詳細地討論。

D 模式 HEMT

GaN 功率 HEMT 通常在 Si 襯底上制造。由于這些橫向器件在產(chǎn)生 2DEG 的 AlGaN/GaN 界面處傳導電流，因此可以在 Si 襯底上沉積相對薄的 GaN 層，中間放置一個緩沖層。這緩解了兩種材料之間的晶格失配。大多數(shù)生產(chǎn)是在 150 毫米晶圓上進行的——但是，像 Innoscience 這樣的一些晶圓是在 200 毫米基板上制造的。耗盡模式或 d 模式器件允許在沒有柵極偏置的情況下形成自然 2DEG 通道，因此通常處于開啟狀態(tài)。這些器件的典型負閾值電壓 (Vt) 為 -5V 至 -20V。

在大多數(shù)電源應用中，從系統(tǒng)實現(xiàn)的角度來看，常開設備是非常不受歡迎的。因此，如圖 1 所示，d 模式 HEMT 通常與級聯(lián)低壓 (LV) Si MOSFET 或直接驅(qū)動方法結(jié)合使用。現(xiàn)在讓我們更詳細地看看這些選項中的每一個。

級聯(lián) d 模式/Si MOSFET

Transphorm 和 Nexperia 是制造級聯(lián)設備的公司的例子。

這種方法的最大優(yōu)勢在于柵極驅(qū)動。由于采用 3-4 V 范圍內(nèi)的閾值電壓和 +/- 20 V 典型額定值的柵極氧化物驅(qū)動 Si MOSFET，因此驅(qū)動器具有較寬的工作窗口，而級聯(lián)共柵具有強大的安全裕度和良好的抗噪性。可以使用單極柵極驅(qū)動器，例如用于硅應用的那些。此外，共源共柵電路在 3 rd方面具有優(yōu)勢具有續(xù)流 Si MOSFET 體二極管的象限操作以及較低的 Rdson 溫度系數(shù)，在高溫應用中具有優(yōu)勢。與典型的 e 模式器件相比，級聯(lián)電路中的柵極泄漏 (Igss) 最多可低兩個數(shù)量級。隨著更高的柵極裕度，可以提供采用熱效率更高的 TO-247 類型封裝的封裝產(chǎn)品。提供符合汽車 AEC-Q101 標準的設備。級聯(lián)方法的一些缺點可能包括更高的柵極和輸出電容、Si MOSFET 體二極管的反向恢復損耗、高轉(zhuǎn)換速率開關(guān)條件下 Si MOSFET 的潛在可靠性問題、轉(zhuǎn)換速率控制較少以及電壓 < 200 V 時效率較低由于 Si 器件的 Rdson 貢獻較大。

直接驅(qū)動

德州儀器 (TI) 和 VisIC Technologies 都生產(chǎn)集成柵極驅(qū)動 d 模式 GaN 產(chǎn)品。直接驅(qū)動可以克服上面列出的級聯(lián)電路的一些缺點。顯示了 TI LMG3422R030 直接驅(qū)動 GaN 產(chǎn)品的功能框圖，該產(chǎn)品使用與 GaN HEMT 共同封裝的 Si 控制芯片。智能柵極控制可避免 Si MOSFET 反向恢復、低電感驅(qū)動器/HEMT 封裝集成，以及集成保護電路和壓擺率控制，可實現(xiàn)更高的閉環(huán)性能。

d 模式級聯(lián)或直接驅(qū)動產(chǎn)品目前針對工業(yè)和汽車應用的 200 – 800 V 范圍，例如電信服務器電源、太陽能和電池電源逆變器、工業(yè)自動化和電動汽車的車載充電。在許多此類應用中，特別是在更高電壓/功率領域，它們面臨來自碳化硅 (SiC) 器件的競爭。