來源：硬蛋攻城獅

1 簡述

GaN器件當(dāng)前被稱作HEMT(高電子遷移率晶體管)，此類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撲和應(yīng)用。

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

2 GAN類型

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

3 參數(shù)

3.1可以通過改變RG控制開關(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啟電壓，加正壓無正向電流，加反壓有反向電流但反向壓降較大。

3.2 與SI參數(shù)對比

3.3 反向?qū)ㄌ匦?/p>

DS之間的導(dǎo)通是通過中間的電子層，所以可以雙向?qū)?，即常開。

3.4 E-GAN無體二極管

GAN體內(nèi)沒有寄生二極管即非常小的Trr，在續(xù)流方面有很大優(yōu)勢，無反向恢復(fù)，Qrr=0，沒有PN結(jié)。由于 SiC FET 結(jié)構(gòu)中存在體二極管， 所以它會出現(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 更快的開關(guān)速度

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

3.6 死驅(qū)時間

GaN HEMT沒有體二極管。GAN器件的反向傳導(dǎo)壓降與V(GS(OFF))成比例增加。在死區(qū)時間內(nèi)，2DEG的行為就像一個二極管，V(F )= V(TH(GD))+ V(GS(OFF))+ I(SD)* R(SD(ON))。

4 成本

GaN 通過消除有源和無源器件，使用更小、更輕的磁性元件，并降低系統(tǒng)的冷卻需求，可實現(xiàn)顯著的系統(tǒng)及成本節(jié)約。但是，實現(xiàn)的節(jié)省遠不止這些，GaN 有望進一步降低器件成本，業(yè)界對GAN成本評估預(yù)測如下圖所示。

5 驅(qū)動

5.1 D-mode GAN驅(qū)動

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

D-mode GaN最大的優(yōu)勢在于可用傳統(tǒng)Si MOS的驅(qū)動電路，以0V/12V電平進行關(guān)/開的控制。但需要注意的是，盡管驅(qū)動電路和Si MOS相同，但由于級聯(lián)架構(gòu)的D-mode GaN的開關(guān)頻率和速度遠高于傳統(tǒng)的Si MOS，所以要求驅(qū)動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

不同于D-mode GaN通過級聯(lián)低壓Si MOS來實現(xiàn)常關(guān)型，E-mode GaN直接對GaN柵極進行p型摻雜來修改能帶結(jié)構(gòu)，改變柵極的導(dǎo)通閾值，從而實現(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，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)動特性，對驅(qū)動器和驅(qū)動電路的設(shè)計一般需要滿足：

具備100V/ns以上的CMTI，以滿足高頻應(yīng)用的抗擾能力;

可提供5~6V的驅(qū)動電壓，并且驅(qū)動器最好集成輸出級LDO;

驅(qū)動器最好有分開的OUTH和OUTL引腳，從而不必通過二極管來區(qū)分開通和關(guān)斷路徑，避免了二極管壓降造成GaN誤導(dǎo)通的風(fēng)險;

在高壓、大功率應(yīng)用特別是硬開關(guān)拓撲，可以提供負壓關(guān)斷能力;

盡可能小的傳輸延時和傳輸延時匹配，從而可以設(shè)定更小的死區(qū)時間，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，往往推薦采用負壓關(guān)斷來增強噪聲抗擾能力，保證可靠關(guān)斷。在設(shè)計柵極關(guān)斷的負壓時，除了需要考慮GaN本身的柵極耐壓能力外，還需要考慮對效率的影響。如下表所示，這是因為E-mode GaN在關(guān)斷狀態(tài)下可以實現(xiàn)電流的反向流動即第三象限導(dǎo)通，但是反向?qū)▔航岛蜄艠O關(guān)斷的負壓值相關(guān)，用于柵極關(guān)斷的電壓越負，反向壓降就越大，相應(yīng)的會帶來更大的死區(qū)損耗。一般，對于500W以上高壓應(yīng)用，特別是硬開關(guān)，推薦-2V~-3V的關(guān)斷負壓。常用的驅(qū)動方式有以下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)動器來設(shè)計驅(qū)動電路，需要通過阻容分壓電路做降壓處理。

需要電阻、電容、穩(wěn)壓管設(shè)計外圍電路，這種驅(qū)動方案可以采用普通的Si MOSFET驅(qū)動芯片，如下圖所示，當(dāng)驅(qū)動開通時，圖中Cc與Ra并聯(lián)后和Rb串聯(lián)，將驅(qū)動供電電壓(如10V)進行分壓后，為GaN柵極提供6V驅(qū)動導(dǎo)通電壓，Dz1起到鉗位正壓的作用;當(dāng)驅(qū)動關(guān)斷時，Cc電容放電為GaN柵極提供關(guān)斷負壓，Dz2起到鉗位負壓的作用。

2、直驅(qū)式方案

無需電阻、電容、穩(wěn)壓管等外圍電路

6 損耗

6.1 雙脈沖測試

雙脈沖測試可以獲取開關(guān)管開關(guān)過程中的參數(shù)，通過測試結(jié)果評估驅(qū)動電阻是否合適，是否需要吸收電路等。而且可以衡量開關(guān)管在實際工作中的表現(xiàn)，主要有反向恢復(fù)電流，關(guān)斷電壓尖峰，開通關(guān)斷時間等

1)t0時刻，門極發(fā)出第一個脈沖，下橋MOS飽和導(dǎo)通，電壓U加在負載L兩端，電感的電流線性上升。

2)t1時刻，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，電流探頭檢測不到該電流。

3)t2時刻，第二個脈沖的上升沿到達，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)電流會穿過下橋MOS，電流探頭上能捕捉到這個電流。在該時刻，重點觀察MOS的開通過程。

4)t3時刻，下橋MOS再次關(guān)斷，此時電流變化較大，由于母線雜散電感Ls的存在，Vce會產(chǎn)生一定的電壓尖峰。在該時刻，重點觀察MOS的關(guān)斷過程。Vce電壓尖峰是重要的監(jiān)控對象，同時還需關(guān)注關(guān)斷之后電壓和電流是否存在異常振蕩。

雙脈沖測試問題注意：

(1)要想獲得較為精確的測量值，對測試儀器有很大要求，一般采用高壓探頭取Vge、Vce，羅氏線圈電流探頭取Ic，對于驅(qū)動信號可以采用普通探頭獲得。同時，對探頭進行校準，盡量減小測量儀器帶來的誤差。

(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)電流嚴重拖尾，VDS打嗝。

(3)負載電感可以使用自己繞制的空心電感，或者購買相應(yīng)的空心電感，不要使用磁粉芯電感，瞬間大電流會影響磁粉芯電感的電感值，從而對測試結(jié)果造成影響。

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

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

6.2 雙脈沖仿真

搭建仿真平臺

采樣電阻雜感2nh

母線加RC

仿真結(jié)果：采樣電阻2nh雜感情況

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

結(jié)語

應(yīng)用實例：人形機器人已經(jīng)在酒店服務(wù)、機場安全等領(lǐng)域得到應(yīng)用，預(yù)計未來將在更多領(lǐng)域發(fā)揮作用。

勞動力缺口：人形機器人有潛力填補因出生率下降導(dǎo)致的勞動力缺口，維持經(jīng)濟穩(wěn)定和提高生活質(zhì)量。

技術(shù)進步：GaN技術(shù)的持續(xù)進步將推動人形機器人向更高效、可靠和能力的方向發(fā)展。