增强 E 模式 GaNFET 的可靠性和兼容性

共源共栅和 E 模式 GaNFET 的演变和可靠性

共源共栅 GaN 的结构如图 1 (a) 所示，在共源共栅配置中结合了低压常关硅 MOSFET 和高压常开 GaN HEMT。该组合有效地产生了增强模式行为，并且该技术自 2010 年代初期以来已投入商业应用。与原生 GaN 解决方案相比，硅 MOSFET 的公共栅极阈值电压为 4V，简化了栅极驱动要求，因为这些共源共栅 GaN 通常可以使用标准硅栅极驱动器进行驱动。此外，硅 MOSFET 的混合特性可以提高可靠性。可以利用硅的已知特性和行为来保护 GaN HEMT 更敏感的栅极，从而降低因高电压尖峰或不正确的栅极电压而导致故障的风险。

图 1. (a) 共源共栅 GaN 和 (b) E 模式 P 栅极 GaN HEMT 之间的原理图比较。图片由博多电力系统提供 [PDF]

然而，GaN HEMT 栅极和源极之间额外的硅 MOSFET 将大大增加 Cascode GaN 器件的有效输入电容，这很大程度上牺牲了快速开关特性，而这是与 SiC MOSFET 相比突出的优势之一。更糟糕的是，硅 MOSFET 和 D 型 GaN 串联进行共封装会产生额外的寄生电感，从而导致开关波形出现更多振铃和过冲，影响整体性能并引发电磁干扰 (EMI) 问题。

E 模式 GaNFET，如图 1 (b) 所示，使用 p 型 GaN 栅极结构来提供正阈值电压，使该器件在单芯片解决方案中固有地常关。这对于需要故障安全操作的电力应用至关重要。 E 模式 GaNFET 通常表现出非常低的栅极电荷和电容，无需任何额外组件，从而实现更快的开关速度并降低开关损耗。它们在需要高频操作的应用中非常高效。

然而，p型GaN栅极提供了1.4V的典型较低栅极阈值电压，这会由于噪声或栅极电压波动而导致器件意外开启和系统故障。此外，典型的驱动范围为-10 V至7 V，与大多数其他功率器件的驱动电压不兼容，后者需要12-18 V，因此很难从其他功率开关切换到GaN HEMT。，由于p型GaN栅极还不太成熟并且更容易受到攻击，因此人们对其长期可靠性和阈值电压稳定性存在担忧。

全GaN-IC解决方案：栅极阈值电压和驱动范围的飞跃

GaNPower International 创新了一种全 GaN-IC 方法，可将栅极阈值电压从 1.4 V 提升至令人印象深刻的 3.5-4.0 V，驱动范围高达 ±20 V。专有的基于 GaN 的栅极调节电路已单片化与功率 GaNFET 集成在单个芯片中。如图 2 (a) 所示，这项创新使新型 E 模式 GaN 与硅和 SiC MOSFET 的引脚排列、阈值电压、驱动范围保持一致，因此赢得了“引脚对引脚”(P2P) 的昵称。其卓越的兼容性。 P2P技术结合了Cascode GaN和E-mode GaN的优点。它旨在实现更可靠的栅极驱动，同时又不会大幅损害 GaN 功率开关的快速开关优势。

根据图 2（b）所示的 LTSpice 仿真结果，P2P GaN 开关的栅极阈值电压已提高至 4 V 左右，并且其栅极电压已被 All-GaN-IC 适当钳位在 7 V 以下，0 -20V 脉宽调制输入。

 
图 2.  (a) 框图和 (b) 与主 E 模式 p 栅极 GaNFET 单片集成的栅极调节器电路的模拟验证。图片由博多电力系统提供 [PDF]

图 3 所示的室温实验静态 IdVg 测量结果也验证了与不带基于 GaN 的栅极调节电路的普通 E 模式 GaN 相比，P2P GaN 的栅极阈值电压 (3.6 V) 的增强。

 
图 3.  650V 30A E 模式 GaN HEMT 之间的 Ids-Vgs 测量比较（a）不带单片集成栅极稳压器电路和（b）带单片集成栅极稳压器电路（即 P2P 技术）。图片由博多电力系统提供 [PDF]

展示卓越的开关性能

为 P2P GaN 的突发模式开关评估构建了双脉冲测试平台，该平台具有定制的空芯 128 μH 负载电感、续流 SiC 二极管和可靠的电压钳位电路，可用于的动态 Rdson 测量。

在 12 V PWM 输入和 900 V 总线电压的情况下，所有开关波形（Vgs、Vds 和 Ids）（如图 4 所示）都很干净，没有明显的振铃或过冲。此外，动态 Rdson 也在室温下高达 33 A（其额定电流）漏极电流的合理范围内，这可以从钳位的 Vds 波形中观察到。另一项在 125°C 下类似负载条件下进行的双脉冲测试显示了类似的开关波形，证明了基于 GaN 的栅极调节电路具有良好的热稳定性。

构建了具有高饱和环形功率电感器和恒定 40 欧姆高功率电阻负载的 100 KHz 半桥降压测试平台，用于 P2P GaN 的连续硬开关评估。主测试板上安装了两台带有合适散热器的GP65R45T4器件，测试过程中采用了适当的风扇冷却。

 
图 4.  33 A 漏极电流和 900 V 总线电压下的双脉冲测试 (DPT) 结果表明，在 (a) 25°C 和 (b) 125°C 下均具有良好的开关性能。图片由博多电力系统提供 [PDF]

根据图 5 (a) 所示的效率，在 12 V PWM 输入和 200-550 V 总线电压下，基于 P2P GaN 的降压转换器实现了 97.42% 的峰值效率和 3.7 kW 的功率输出。图 5 (b) 展示了良好的连续开关波形，在 450 V 总线电压的峰值效率下没有明显的振铃和过冲。

 
图 5. 风冷半桥降压转换器的 (a) 开关效率和 (b) 开关波形，其中两个 GaNPower P2P GaN HEMT (GP65R45T4) 正在进行连续硬开关测试。图片由博多电力系统提供 [PDF]