來(lái)源：硬蛋攻城獅

1 簡(jiǎn)述

GaN器件當(dāng)前被稱(chēng)作HEMT(高電子遷移率晶體管)，此類(lèi)高電子遷移率的晶體管應(yīng)用于諸多電子設(shè)備中，如全控型電力開(kāi)關(guān)、高頻放大器或振蕩器。與傳統(tǒng)的硅金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 相比，氮化鎵 (GaN) 可提高功率密度和效率，GaN 和 SiC 均具有寬帶隙，但它們之間存在根本差異，因此分別適合特定的拓?fù)浜蛻?yīng)用。

GaN HEMT的工作原理是：當(dāng)柵極電壓變化時(shí)，會(huì)在GaN溝道層形成一個(gè)電子氣，這個(gè)電子氣會(huì)隨著柵極電壓的變化而移動(dòng)，形成一個(gè)電流。由于GaN材料的高電子遷移率和高飽和電流密度，GaN HEMT具有更高的開(kāi)關(guān)速度和功率密度。

2 GAN類(lèi)型

基于GaN的HEMT市面上主要有兩種，一種是基于溝道技術(shù)的增強(qiáng)型HEMT(e-HEMT)，另一種是級(jí)聯(lián)型HEMT(Cascode HEMT)。相比級(jí)聯(lián)型HEMT，增強(qiáng)型HEMT擁有更低的EMI，無(wú)反向恢復(fù)損耗，且擁有正的溫度特性從而更容易并聯(lián)使用。下圖展示了級(jí)聯(lián)型HEMT結(jié)構(gòu)。

3 參數(shù)

3.1可以通過(guò)改變RG控制開(kāi)關(guān)速，

VGSth典型值為1.5V;VG最大額定值為-20/+10V;

若柵極和源極之間電壓小于開(kāi)啟電壓，加正壓無(wú)正向電流，加反壓有反向電流但反向壓降較大。

3.2 與SI參數(shù)對(duì)比

3.3 反向?qū)ㄌ匦?/p>

DS之間的導(dǎo)通是通過(guò)中間的電子層，所以可以雙向?qū)ǎ闯ｉ_(kāi)。

3.4 E-GAN無(wú)體二極管

GAN體內(nèi)沒(méi)有寄生二極管即非常小的Trr，在續(xù)流方面有很大優(yōu)勢(shì)，無(wú)反向恢復(fù)，Qrr=0，沒(méi)有PN結(jié)。由于 SiC FET 結(jié)構(gòu)中存在體二極管， 所以它會(huì)出現(xiàn)反向恢復(fù)損耗。典型的 SiC FET 有大于 85nC 的反向恢復(fù)電荷。

3.5 更快的開(kāi)關(guān)速度

集成柵極驅(qū)動(dòng)器的新一代 GaN 器件開(kāi)關(guān)速度可達(dá) 150V/ns，損耗比 SiC 低 82%，比 分立式 GaN FET 低 63%。下面圖展示了GaN HEMT在硬開(kāi)關(guān)模式下，擁有更快的開(kāi)通和關(guān)斷速度：

3.6 死驅(qū)時(shí)間

GaN HEMT沒(méi)有體二極管。GAN器件的反向傳導(dǎo)壓降與V(GS(OFF))成比例增加。在死區(qū)時(shí)間內(nèi)，2DEG的行為就像一個(gè)二極管，V(F )= V(TH(GD))+ V(GS(OFF))+ I(SD)* R(SD(ON))。

4 成本

GaN 通過(guò)消除有源和無(wú)源器件，使用更小、更輕的磁性元件，并降低系統(tǒng)的冷卻需求，可實(shí)現(xiàn)顯著的系統(tǒng)及成本節(jié)約。但是，實(shí)現(xiàn)的節(jié)省遠(yuǎn)不止這些，GaN 有望進(jìn)一步降低器件成本，業(yè)界對(duì)GAN成本評(píng)估預(yù)測(cè)如下圖所示。

5 驅(qū)動(dòng)

5.1 D-mode GAN驅(qū)動(dòng)

按照應(yīng)用場(chǎng)景差異，GaN需要隔離或非隔離、低邊或自舉、零伏或負(fù)壓關(guān)斷等多種驅(qū)動(dòng)方式，由于按照柵極特性差異，GAN分為常開(kāi)的耗盡型(D-mode)和常關(guān)的增強(qiáng)型(E-mode)。D-mode GaN從常開(kāi)型變?yōu)槌ｊP(guān)型，主要包括級(jí)聯(lián)(Cascode)和直驅(qū)(Direct Drive)兩種技術(shù)架構(gòu);其中，級(jí)聯(lián)型的D-mode GaN更為主流。如下圖，級(jí)聯(lián)型的D-mode GaN是通過(guò)利用低壓Si MOSFET的開(kāi)關(guān)帶動(dòng)整體的開(kāi)關(guān)，從而將常開(kāi)型變?yōu)槌ｊP(guān)型。

D-mode GaN最大的優(yōu)勢(shì)在于可用傳統(tǒng)Si MOS的驅(qū)動(dòng)電路，以0V/12V電平進(jìn)行關(guān)/開(kāi)的控制。但需要注意的是，盡管驅(qū)動(dòng)電路和Si MOS相同，但由于級(jí)聯(lián)架構(gòu)的D-mode GaN的開(kāi)關(guān)頻率和速度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的Si MOS，所以要求驅(qū)動(dòng)IC能夠在很高的dv/dt環(huán)境下正常工作。

5.2 E-Mode GAN驅(qū)動(dòng)

不同于D-mode GaN通過(guò)級(jí)聯(lián)低壓Si MOS來(lái)實(shí)現(xiàn)常關(guān)型，E-mode GaN直接對(duì)GaN柵極進(jìn)行p型摻雜來(lái)修改能帶結(jié)構(gòu)，改變柵極的導(dǎo)通閾值，從而實(shí)現(xiàn)常斷型器件。根據(jù)柵極結(jié)構(gòu)不同，E-mode GaN又分為歐姆接觸的電流型和肖特基接觸的電壓型兩種技術(shù)路線(xiàn)，其中電壓型E-mode GaN最為主流。

GaN/Si MOS/IGBT 不同狀態(tài)下電流路徑

考慮E-mode GaN的以上驅(qū)動(dòng)特性，對(duì)驅(qū)動(dòng)器和驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)一般需要滿(mǎn)足：

具備100V/ns以上的CMTI，以滿(mǎn)足高頻應(yīng)用的抗擾能力;

可提供5~6V的驅(qū)動(dòng)電壓，并且驅(qū)動(dòng)器最好集成輸出級(jí)LDO;

驅(qū)動(dòng)器最好有分開(kāi)的OUTH和OUTL引腳，從而不必通過(guò)二極管來(lái)區(qū)分開(kāi)通和關(guān)斷路徑，避免了二極管壓降造成GaN誤導(dǎo)通的風(fēng)險(xiǎn);

在高壓、大功率應(yīng)用特別是硬開(kāi)關(guān)拓?fù)?，可以提供?fù)壓關(guān)斷能力;

盡可能小的傳輸延時(shí)和傳輸延時(shí)匹配，從而可以設(shè)定更小的死區(qū)時(shí)間，以減小死區(qū)損耗。

在低電壓、小功率，或?qū)λ绤^(qū)損耗敏感的應(yīng)用中，一般可使用0V電壓關(guān)斷;但是在高電壓、大功率系統(tǒng)中，往往推薦采用負(fù)壓關(guān)斷來(lái)增強(qiáng)噪聲抗擾能力，保證可靠關(guān)斷。在設(shè)計(jì)柵極關(guān)斷的負(fù)壓時(shí)，除了需要考慮GaN本身的柵極耐壓能力外，還需要考慮對(duì)效率的影響。如下表所示，這是因?yàn)镋-mode GaN在關(guān)斷狀態(tài)下可以實(shí)現(xiàn)電流的反向流動(dòng)即第三象限導(dǎo)通，但是反向?qū)▔航岛蜄艠O關(guān)斷的負(fù)壓值相關(guān)，用于柵極關(guān)斷的電壓越負(fù)，反向壓降就越大，相應(yīng)的會(huì)帶來(lái)更大的死區(qū)損耗。一般，對(duì)于500W以上高壓應(yīng)用，特別是硬開(kāi)關(guān)，推薦-2V~-3V的關(guān)斷負(fù)壓。常用的驅(qū)動(dòng)方式有以下2種方案：

1、阻容分壓式方案，E-mode GaN可以采用傳統(tǒng)的Si MOS驅(qū)動(dòng)器來(lái)設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路，需要通過(guò)阻容分壓電路做降壓處理。

需要電阻、電容、穩(wěn)壓管設(shè)計(jì)外圍電路，這種驅(qū)動(dòng)方案可以采用普通的Si MOSFET驅(qū)動(dòng)芯片，如下圖所示，當(dāng)驅(qū)動(dòng)開(kāi)通時(shí)，圖中Cc與Ra并聯(lián)后和Rb串聯(lián)，將驅(qū)動(dòng)供電電壓(如10V)進(jìn)行分壓后，為GaN柵極提供6V驅(qū)動(dòng)導(dǎo)通電壓，Dz1起到鉗位正壓的作用;當(dāng)驅(qū)動(dòng)關(guān)斷時(shí)，Cc電容放電為GaN柵極提供關(guān)斷負(fù)壓，Dz2起到鉗位負(fù)壓的作用。

2、直驅(qū)式方案

無(wú)需電阻、電容、穩(wěn)壓管等外圍電路

6 損耗

6.1 雙脈沖測(cè)試

雙脈沖測(cè)試可以獲取開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)過(guò)程中的參數(shù)，通過(guò)測(cè)試結(jié)果評(píng)估驅(qū)動(dòng)電阻是否合適，是否需要吸收電路等。而且可以衡量開(kāi)關(guān)管在實(shí)際工作中的表現(xiàn)，主要有反向恢復(fù)電流，關(guān)斷電壓尖峰，開(kāi)通關(guān)斷時(shí)間等

1)t0時(shí)刻，門(mén)極發(fā)出第一個(gè)脈沖，下橋MOS飽和導(dǎo)通，電壓U加在負(fù)載L兩端，電感的電流線(xiàn)性上升。

2)t1時(shí)刻，下橋MOS關(guān)斷，電感電流由上橋二極管續(xù)流，電流波形如虛線(xiàn)所示，由于電流探頭放在下橋的發(fā)射極，因此，在上橋二極管續(xù)流時(shí)，電流探頭檢測(cè)不到該電流。

3)t2時(shí)刻，第二個(gè)脈沖的上升沿到達(dá)，下橋MOS再次導(dǎo)通，上橋續(xù)流二極管反向恢復(fù)，反向恢復(fù)電流會(huì)穿過(guò)下橋MOS，電流探頭上能捕捉到這個(gè)電流。在該時(shí)刻，重點(diǎn)觀察MOS的開(kāi)通過(guò)程。

4)t3時(shí)刻，下橋MOS再次關(guān)斷，此時(shí)電流變化較大，由于母線(xiàn)雜散電感Ls的存在，Vce會(huì)產(chǎn)生一定的電壓尖峰。在該時(shí)刻，重點(diǎn)觀察MOS的關(guān)斷過(guò)程。Vce電壓尖峰是重要的監(jiān)控對(duì)象，同時(shí)還需關(guān)注關(guān)斷之后電壓和電流是否存在異常振蕩。

雙脈沖測(cè)試問(wèn)題注意：

(1)要想獲得較為精確的測(cè)量值，對(duì)測(cè)試儀器有很大要求，一般采用高壓探頭取Vge、Vce，羅氏線(xiàn)圈電流探頭取Ic，對(duì)于驅(qū)動(dòng)信號(hào)可以采用普通探頭獲得。同時(shí)，對(duì)探頭進(jìn)行校準(zhǔn)，盡量減小測(cè)量?jī)x器帶來(lái)的誤差。

(2)調(diào)整柵極電阻Rgon，用以確定Rgon的數(shù)值是否合適。并且調(diào)整優(yōu)化GAN的VDS與ID波形，切勿出現(xiàn)電流嚴(yán)重拖尾，VDS打嗝。

(3)負(fù)載電感可以使用自己繞制的空心電感，或者購(gòu)買(mǎi)相應(yīng)的空心電感，不要使用磁粉芯電感，瞬間大電流會(huì)影響磁粉芯電感的電感值，從而對(duì)測(cè)試結(jié)果造成影響。

(4)直流側(cè)需要高壓電源，一般情況下，為保護(hù)儀器，可以用多個(gè)電容串并聯(lián)，使用高壓電源為電容充電，然后給被測(cè)電路供電。

(5)雙脈沖信號(hào)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生，信號(hào)發(fā)生器輸出有50Ω或者1MΩ，不同的阻抗輸出電壓值會(huì)不同，測(cè)試前需使用示波器觀察發(fā)生器的波形是否滿(mǎn)足預(yù)期，以免影響測(cè)試結(jié)果。

6.2 雙脈沖仿真

搭建仿真平臺(tái)

采樣電阻雜感2nh

母線(xiàn)加RC

仿真結(jié)果：采樣電阻2nh雜感情況

仿真結(jié)果可見(jiàn)，下管采樣電阻雜感等寄生參數(shù)影響波形，形成LC震蕩。下管開(kāi)通時(shí)，由于上管的反向恢復(fù)電流影響，在IR5處測(cè)得電流出現(xiàn)回溝。

結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用實(shí)例：人形機(jī)器人已經(jīng)在酒店服務(wù)、機(jī)場(chǎng)安全等領(lǐng)域得到應(yīng)用，預(yù)計(jì)未來(lái)將在更多領(lǐng)域發(fā)揮作用。

勞動(dòng)力缺口：人形機(jī)器人有潛力填補(bǔ)因出生率下降導(dǎo)致的勞動(dòng)力缺口，維持經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定和提高生活質(zhì)量。

技術(shù)進(jìn)步：GaN技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步將推動(dòng)人形機(jī)器人向更高效、可靠和能力的方向發(fā)展。