雙向 GaN 電源 IC 適用于各種應(yīng)用，從電機驅(qū)動器和可再生能源逆變器到 USB 充電器、便攜式電子設(shè)備、電動自行車等。本文介紹了雙向 GaN 開關(guān)的應(yīng)用可能性示例。
GaN 高電子遷移率晶體管 (HEMT) 或 HFET 已采用 600 V 工藝制造，該工藝可生產(chǎn)導通電阻低至 70 mΩ 的器件。為了進行性能比較，在同一晶圓上制造了單向和雙向器件。使用 p-GaN 柵極來獲得器件中的常關(guān)特性。
為了制作雙向 HFET，在靠近漏極 D1 的漂移區(qū)中添加了第二個柵極 (G2)，并將其用作一個操作方向的控制柵極(圖 1)。雙向 GaN HFET 是對稱的，可以在兩個方向上承載相同的電流。
圖 1. 單向(左)和雙向(右) GaN HFET 的橫截面。雙向 HFET 可以從左到右操作，S1、G1 和 D1 分別作為源極、柵極和漏極，或者從右到左操作，S2、G2 和 D2。
添加第二個柵極不會對器件性能產(chǎn)生實質(zhì)性影響。雙向 FET 的特定導通電阻在兩個方向上相同，比單向器件高 3%。兩種器件的截止狀態(tài)漏極漏電流高達 600 V，均低于 5 μA。在 10 A、400 V 鉗位電感開關(guān)測試中，兩種器件在關(guān)斷期間均表現(xiàn)出 60 V/ns 的壓擺率。
在另一個案例中，已經(jīng)開發(fā)出一種用于功率因數(shù)校正電路中的維也納整流器、可再生能源系統(tǒng)中的電流源逆變器和固態(tài)斷路器等拓撲的器件。在同等性能的基礎(chǔ)上，該器件比 SiC 雙向 FET 小 4 倍，比兩個單向 GaN 器件小 3 倍，比傳統(tǒng)硅解決方案小 9 倍。
USB端口OVP保護
40 V、4.8 mΩ 雙向常閉增強模式 (e-mode) GaN 晶體管采用晶圓級芯片尺寸 (WLCSP) 封裝，適用于較低功率和電壓應(yīng)用。它旨在取代電池管理系統(tǒng) (BMS)、過壓保護 (OVP) 應(yīng)用、備用和備用電源系統(tǒng)中多個電源的開關(guān)電路以及雙向轉(zhuǎn)換器中的高側(cè)負載開關(guān)中的背對背 Si MOSFET。除了導通電阻低之外，這些器件還具有 1 MHz 的工作頻率。
ARPA-E 電路
美國能源部高級研究計劃局 (ARPA-E) 的“利用創(chuàng)新拓撲和半導體創(chuàng)建創(chuàng)新可靠電路”(CIRCUITS) 項目贊助了基于 GaN 的四象限開關(guān) (FQS) 的開發(fā)。
FQS 用一個提供雙向電壓控制和電流流動的器件取代了兩個 FET、兩個 IGBT 和兩個二極管。它使用兩個柵極來阻斷任一極性的電壓并支持任一方向的電流流動。使用 FQS 將減少零件數(shù)量，從而實現(xiàn)更高的功率密度、更高的可靠性和更低成本的解決方案。
橫向 GaN 技術(shù)可以制造 FQS，因為電壓阻斷區(qū)可以在器件的兩個部分之間共享。對于用于 Si 和 SiC 器件的垂直結(jié)構(gòu)來說，這是不可能的。原型 FQS 已使用 650 V GaN 技術(shù)制造，閾值電壓為 4 V。這些器件采用 GaN 制造，支持快速切換和低損耗，可實現(xiàn)緊湊、高效的解決方案。
電動自行車等
對于電動自行車 (E-bikes) 和儲能系統(tǒng)等電池供電設(shè)備，100 V 雙向 GaN-on-Si e-mode 器件采用 4.0 x 6.0 mm 倒裝芯片四方扁平無引線 (FCQFN) 封裝。這些器件的額定電流為 100 A，最大 RDD(on) 為 3.2 mΩ，VG 為 5 V，典型 QG 為 90 nC，VDD 為 50 V。
該器件的應(yīng)用包括電池管理系統(tǒng)中的保護、雙向轉(zhuǎn)換器中的 (BMS) 高端開關(guān)以及多電源系統(tǒng)中的開關(guān)電路。BMS 應(yīng)用可與支持電池平衡的模擬前端 (AFE) IC 和柵極驅(qū)動器配對。在適當?shù)纳釛l件下，該單柵極器件的額定電流為 120 A。
概括
額定電壓為 40 至 650 V 的雙向 GaN 開關(guān)已經(jīng)開發(fā)出來。它們可以簡化和縮小各種應(yīng)用，從便攜式電子設(shè)備到電動自行車電池系統(tǒng)、數(shù)千瓦電機驅(qū)動器和可再生能源逆變器。
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