功率GaN加速普及，E-Mode和D-Mode如何選擇？

電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/梁浩斌）GaN在近幾年的應用發(fā)展非常迅速，從最開始的消費電子領(lǐng)域，手機快充充電頭，已經(jīng)拓展到數(shù)據(jù)中心、光伏、儲能，甚至是電動汽車、充電樁等應用。集邦咨詢的預測顯示，到2026年，全球功率GaN市場規(guī)模將會從2022年的1.8億美元增長至13.3億美元，年均復合增長率高達65%。

而功率GaN器件從柵極技術(shù)路線上，目前有兩種主流的方向，包括增強型E-Mode和耗盡型D-Mode。那么這兩種技術(shù)路線有哪些差異？

耗盡型（D-Mode）GaN器件

D-Mode GaN是一種常開型器件，在沒有施加柵極電壓時，器件處于導通狀態(tài)，需要施加負向柵極電壓減少溝道中的電子濃度，耗盡溝道電子，從而減小或關(guān)閉電流。

在GaN器件中，二維電子氣是在GaN和AIGaN層之間的界面上自發(fā)形成的，這個二維電子氣層具有非常高的電子密度和遷移率，這使得GaN器件能夠?qū)崿F(xiàn)快速的電子傳輸和低電阻，從而帶來高效率和高速開關(guān)的性能。而D-Mode GaN保留了這些優(yōu)勢，因此具有極高的開關(guān)速度。

由于具備高頻開關(guān)和低導通電阻的特性，D-Mode GaN適合用于高效率和高頻應用，在高功率密度、大功率等應用有很大應用空間，比如在光伏微型逆變器、OBC、充電樁、數(shù)據(jù)中心電源等。

在實際應用時，常開的D-Mode GaN器件是無法直接使用的，需要通過外圍增加元器件，將其變成常關(guān)型才能使用。比如快充等應用中，D-Mode GaN器件一般需要串聯(lián)低壓硅MOSFET使用，利用低壓硅MOSFET的開關(guān)帶動整體開關(guān)，將常開型變?yōu)槌ｊP(guān)型器件使用。

D-Mode GaN主要包括兩種技術(shù)架構(gòu)，分別是級聯(lián)（Cascode）和直驅(qū)（Direct Drive）。前面提到的串聯(lián)低壓硅MOSFET開關(guān)帶動整體開關(guān)就是Cascode的D-Mode GaN架構(gòu)，這種架構(gòu)也是目前的主流架構(gòu)，可靠性更高，在高功率、高電壓、大電流應用中用性更高，比如在電動汽車、工業(yè)等應用上。

D-Mode GaN的驅(qū)動兼容性也更好，比如級聯(lián)型的D-Mode GaN可以使用與傳統(tǒng)硅MOSFET相同的驅(qū)動電路，不過由于開關(guān)頻率和開關(guān)速度遠遠高于硅MOSFET，所以驅(qū)動集成電路要求能夠在高dv/dt的環(huán)境下穩(wěn)定工作。

目前走D-Mode路線的功率GaN廠商主要有Transphorm、PI、TI、安世、鎵未來、華潤微（潤新微）、能華微、芯冠等。

增強型（E-Mode）GaN器件

增強型GaN是一種常關(guān)型器件，在沒有施加柵極電壓時，器件處于關(guān)斷狀態(tài)，不導電；需要施加正向柵極電壓來形成導電通道，器件才能導通。

前面提到在GaN器件中，二維電子氣是在GaN和AIGaN層之間的界面上自發(fā)形成的。為了實現(xiàn)常關(guān)型操作，需要在柵極下方引入p型摻雜的GaN層（p-GaN）。這種摻雜創(chuàng)建了一個內(nèi)置的負偏壓，類似于一個小的內(nèi)置電池，這有助于耗盡2DEG通道，從而實現(xiàn)常關(guān)型操作。

增強型GaN可以直接實現(xiàn)0V關(guān)斷和正壓導通，無需損失GaN的導通和開關(guān)特性，在硬開關(guān)應用中可以有效降低開關(guān)損耗和EMI噪聲，更適合對故障安全有嚴格要求的低功率到中等功率應用，例如DC-DC變換器、LED驅(qū)動器、充電器等。

在應用中，由于E-Mode GaN是常關(guān)型器件，使用方式可以與傳統(tǒng)的硅MOSFET類似，但需要復雜的外圍電路設計。如果要直驅(qū)，需要匹配專用的GaN驅(qū)動IC。比如納芯微的E-mode GaN專用高壓半橋柵極驅(qū)動器NSD2621、英飛凌的GaN EiceDRIVER系列高側(cè)柵極驅(qū)動器等。

不過E-Mode GaN器件也有缺點，首先因為需要控制二維電子氣來實現(xiàn)常關(guān)特性，這可能會影響器件的動態(tài)性能，在開關(guān)速度上可能不如D-Mode器件。同時在熱管理方面，E-Mode GaN導通電阻隨溫度變化而增加，所以在高功率應用中需要更加可靠的散熱設計。E-Mode GaN器件的柵極還可能存在穩(wěn)定性和漏電流的問題，可能會影響器件的可靠性和性能。

目前走E-Mode路線的功率GaN廠商主要有英飛凌（GaN Systems）、EPC、英諾賽科、納微半導體、松下、量芯微。

E-Mode和D-Mode如何選擇？

在實際應用中，如何選擇E-Mode或D-Mode的GaN器件？從前面對兩種形式的GaN器件的分析，可以根據(jù)實際應用的需求，從幾個方面來進行選擇。

首先是對系統(tǒng)的安全要求，如果應用需要故障安全操作，常關(guān)型的E-MODE GaN是更好的選擇；而常開型的D-Mode GaN，在系統(tǒng)可以通過外部控制實現(xiàn)安全操作時則更加適合，因為D-Mode GaN可以提供更快的開關(guān)速度和更高的頻率、更低的損耗。

在高頻應用中，D-Mode相對更有優(yōu)勢，同時其低導通電阻和高速開關(guān)的特性，在散熱受限的場景，或是需要高效率轉(zhuǎn)換的場景會有更好表現(xiàn)。

在驅(qū)動電路上，由于E-Mode GaN是常閉型器件，驅(qū)動電路會較為簡單，D-Mode GaN則需要相對更復雜的電路設計。同樣，如果是在現(xiàn)有的系統(tǒng)上進行升級集成，那么E-Mode使用方式和特性與傳統(tǒng)硅MOSFET較為類似也會是一個優(yōu)勢。

在工業(yè)或汽車等環(huán)境較為惡劣的應用中，D-Mode在高溫和高壓環(huán)境下可靠性和壽命會更高，更適合于這些應用場景。