GaN HEMT：一些器件特性和應(yīng)用權(quán)衡，第一部分

1993年M.A.Khan等人制備了第一只氮化鎵高電子遷移率晶體管(GaN HEMT)，隨后GaN HEMT在高頻微波大功率方面開展了廣泛的研究，經(jīng)過后續(xù)十幾年的研究發(fā)展，解決了諸多理論和工藝技術(shù)問題，產(chǎn)品性能顯著提高。

作為新一代的固態(tài)微波功率器件，GaN HEMT微波功率器件自問世以來就一直受到歐、美、日本等各國的特別關(guān)注并得到重點發(fā)展，特別是美國DARPA制定的寬禁帶推進計劃(2002-2009)針對射頻應(yīng)用啟動了寬禁帶半導(dǎo)體發(fā)展計劃(WBGS-RF)，其目標是實現(xiàn)具有標志性的工作頻率8-12GHz輸出功率60W工作效率35%的T/R模塊、工作頻率大于40GHz輸出功率20W工作效率30%的Ka波段功放模塊以及工作頻率2-20GHz輸出功率100W工作效率20%的寬帶功放模塊3個典型產(chǎn)品。

GaN HEMT 器件處于創(chuàng)造新機會以及在廣泛的功率轉(zhuǎn)換和功率傳輸應(yīng)用中取代現(xiàn)有的硅基設(shè)計的最前沿。在本文中，我們將回顧一些更廣泛使用的 HEMT 的一些關(guān)鍵器件特性，并嘗試強調(diào)每個方面的一些權(quán)衡。

用于電源應(yīng)用的兩種最廣泛使用的 GaN HEMT 方法是：

· e 模式：這里的器件可以用 p-GaN 肖特基柵極形成，導(dǎo)致 Vt 約為 1.7V。這種方法的例子是 GaN Systems、GaN Power International、Innoscience 等提供的設(shè)備。對于電子模式器件的 Vt 相對較低，一個值得注意的例外是 Cambridge GaN Devices 的產(chǎn)品，它通過一些創(chuàng)新的設(shè)計方法提供大于 2V 的電子模式器件。

· 一種級聯(lián)方法，其中 LV Si MOSFET 本質(zhì)上是串聯(lián)放置并創(chuàng)建柵極驅(qū)動?？梢詫崿F(xiàn)更高的 Vt，Transphorm、Nexperia 和其他公司提供了一些例子。

E 模式器件具有利用GaN HEMT 的一些內(nèi)在優(yōu)勢的優(yōu)勢，例如由于漏極/源極中沒有 pn 結(jié)而沒有反向恢復(fù)損耗，以及由于沒有額外的器件而導(dǎo)致的更簡單/更低的寄生效應(yīng)。系列。然而，一個很大的缺點是柵極驅(qū)動的余量很差，并且容易受到來自低 Vth 的柵極噪聲的影響。

級聯(lián)方法解決了 e 模式較差的柵極裕度并提供了更強大的柵極。然而，這是以 Si FET 中的反向恢復(fù) (Qrr) 可能具有更高的開關(guān)損耗為代價的。為減輕這種情況而采取的方法將在后面討論。

下面列出了一些重要的應(yīng)用性能示例，并對上面列出的兩種設(shè)備方法進行了比較

A. GaN HEMT 的硬/軟切換特性

硬開關(guān) (HS)：示例包括同步降壓/升壓轉(zhuǎn)換器和連續(xù)導(dǎo)通模式 Totempole PFC AC/DC 轉(zhuǎn)換器。傳導(dǎo)和開關(guān)損耗都會影響整體效率。在硬開關(guān)中，由于反向恢復(fù)和結(jié)電容電荷，導(dǎo)通損耗占主導(dǎo)地位。輸入柵極電容開關(guān)節(jié)點充電/放電的損耗在高頻下也有重要作用。來自高頻 HS 的高 dI/dt 和 dV/dt 也對器件提出了第三象限硬換向要求，這可能是另一個損耗組件。在這個 HS 領(lǐng)域內(nèi)，由于缺少體二極管且沒有 Qrr，e 模式器件可能提供更低的損耗。但要考慮的因素是大多數(shù)電子模式設(shè)備的低 Vth，然后在高頻 HS 下容易產(chǎn)生振蕩響應(yīng)，并且可能需要負柵極偏置才能完全關(guān)閉器件。這會使柵極驅(qū)動器電路顯著復(fù)雜化。

具有較高 Vth 的級聯(lián)器件提供更多的 Vgs 裕量，并且可能提供更簡單的單極柵極驅(qū)動，不需要負關(guān)斷電壓。潛在的缺點是 Si MOSFET 的存在會導(dǎo)致更高的 Qrr。德州儀器 (TI) LMG352xR030-Q1 器件已針對此問題提出了解決方案，該器件具有帶 GaN HEMT 的 Si 集成柵極驅(qū)動器，可驅(qū)動 GaN HEMT 的柵極電壓為負，以在關(guān)斷事件中將其關(guān)閉，同時保持級聯(lián) Si FET 導(dǎo)通，防止 Si 器件反向損耗。級聯(lián)器件還可以對 HS 轉(zhuǎn)換器施加設(shè)計限制，以在關(guān)斷轉(zhuǎn)換時實現(xiàn)最大反向 dI/dt [1]. 這是因為 GaN HEMT 的柵極從級聯(lián) Si MOSFET 內(nèi)的體二極管的恢復(fù)中獲得高正電壓。這可以降低 GaN 器件的跨導(dǎo)，并在高于額定 dI/dt 的情況下運行時產(chǎn)生更多損耗。

當在關(guān)閉狀態(tài)下需要負 Vgs 時，轉(zhuǎn)換器中的死區(qū)時間損耗分量也可以發(fā)揮更大的作用，如下所述。由于 GaN HEMT 是沒有 p 體的橫向 n 溝道，因此反向第三象限操作本質(zhì)上是 HEMT 反向操作，即 Vdg > Vth 需要溝道轉(zhuǎn)彎。然而，這取決于在此期間柵極端子的狀態(tài)。

在需要負 Vgs 以確保完全關(guān)斷的情況下，對于某些 e-mode 器件，這些增加的 Vgs 將增加有效 Vsd。相反，如果在第三象限操作期間可以應(yīng)用正 Vgs，則會降低有效 Vsd。轉(zhuǎn)換器中的死區(qū)時間損耗 Pdt ~ Vsd X Tdt，其中 Tdt 是死區(qū)時間。與 Vsd < 1V 的 Si MOSFET 相比，GaN Vsd 可能要高得多，尤其是對于 e-mode HEMT。在 TI 的 LMG352xR030-Q1 芯片中實施的稱為理想二極管模式的解決方案是在感應(yīng)到負 Vds 時使用自適應(yīng)柵極驅(qū)動來打開 GaN FET，從而將向右移動并縮短死區(qū)時間失利。級聯(lián)結(jié)構(gòu)中的 Si MOSFET 呈現(xiàn)出具有較低導(dǎo)通電壓的續(xù)流二極管，因此與 e 模式器件相比，呈現(xiàn)出較低的凈 Vsd，

軟開關(guān) (SS)：其中的示例包括零電壓開關(guān) (ZVS)，例如 LLC 輔助電路，它注入諧振脈沖，將必須打開的開關(guān)兩端的電壓降低到零。

因此最小化了導(dǎo)通損耗。由于開關(guān)損耗已降至最低，因此可以主導(dǎo) SS 拓撲的是傳導(dǎo)損耗。HEMT 器件 (Coss) 上的低輸出電荷也是關(guān)鍵，因為這會降低峰值磁化電流。Sojka 等人[2]進行了一項分析，比較了 Transphorm TPH3205WSB 級聯(lián) HEMT 的 HS 和 SS，并得出結(jié)論，當效率是主要目標并且 SS 性能更好時，ZVS 是首選，尤其是在高開關(guān)頻率下。B?cker 等人還表明，動態(tài) Rdson 退化可能在 HS 損失中發(fā)揮作用，而 SS 在這方面是一個優(yōu)勢。