GaN 為電源應用開辟了新領域

氮化鎵 (GaN) 是一種寬帶隙 (WBG) 半導體，在長期以來由傳統(tǒng)硅 (Si) 基組件主導的多種電源應用中正在獲得動力。高效率、在比硅更高的開關頻率和溫度下工作的能力以及占用空間小是使這種 WBG 材料能夠滿足最嚴格的電源應用要求的一些特性。本文將介紹三個組織的一些產品、解決方案和研究成果，它們對基于氮化鎵的功率器件的開發(fā)和市場占有率做出了重大貢獻。

小結

MinDCet 是一家比利時公司，成立于 2011 年，是從魯汶天主教大學分拆出來的，從一開始就專注于高電壓和高功率 ASIC 設計。多年來，MinDCet 在高壓 IC 測試的開發(fā)、提供測試和測量系統(tǒng)以及最終生產測試服務方面進行了大量投資。他們的第一個標準產品是 MDC901，這是一款 200V GaN 柵極驅動器，與半橋評估套件一起提供。圖1為MDC901框圖；能夠驅動高端和低端，它是市場上唯一真正的 200V GaN 驅動器。考慮到芯片內部的所有電路（自舉二極管、電荷泵和內部柵極電壓調節(jié)器），事實證明使用分立解決方案可以節(jié)省高達實際所需面積的 5 倍。

圖 1：MDC901 框圖

驅動 GaN 并不完全像驅動 MOSFET 那樣容易。需要更快的開啟和關閉時間（這意味著更高的 dV/dt）以及更低和更嚴格的受控柵極開啟電壓。在 PCB 層面，驅動 GaN 的主要挑戰(zhàn)包括優(yōu)化柵極環(huán)路電感、電源電感、柵極電阻以及漏源電感。在柵極驅動器 IC 層面，設計人員應關注死區(qū)時間控制、dV/dt 抗擾度、LS/HS 延遲匹配、負源電壓和柵極過充電。

柵極驅動器的一個相關關鍵特性是高側和低側之間的對稱性，可實現(xiàn)小于 1 ns 的延遲匹配，優(yōu)化死區(qū)時間。該器件具有前所未有的高達 9A 的柵極驅動器強度，支持具有 100V/ns 兼容壓擺率的高速開關，并支持低至 –4V 的負源電壓瞬變，從而避免柵極誤觸發(fā)。該器件還可用作雙并行低端，從而簡化推挽轉換器等應用的設計。

到今年年底，MDC901 將緊隨其后的是 MDC801，這是一種碳化硅 (SiC) 柵極驅動器。MinDCet 產品還包括用于表征電感器和電容器損耗的測量系統(tǒng)（名為 MADMIX 和 MADCAP）。MADMIX 是一個獨特且獲得專利的利基系統(tǒng)，目前由大約 80% 的主要電感器制造商擁有，他們在實驗室中使用該系統(tǒng)來開發(fā)電感器并對其進行基準測試。MADCAP 電容器測量系統(tǒng)目前正在開發(fā)中，很快將交付給第一批客戶。

東航-萊蒂

位于法國格勒諾布爾的研究機構 CEA-Leti 在 IEDM 2020 上發(fā)表了兩篇補充論文，重點介紹了在克服制造 GaN 節(jié)能電力電子設備挑戰(zhàn)方面的進展。研究人員對基于硅上氮化鎵 (GaN-on-Si) 的高電子遷移率晶體管 (HEMT) 進行了實驗，展示了 GaN 基半導體如何提高越來越緊湊的電源轉換器的性能和可靠性硅。第一篇論文研究了晶體管柵極正偏置時發(fā)生的正偏置溫度不穩(wěn)定性 (pBTI) 效應背后的物理原理，旨在確定這種效應的根本原因以及如何將其最小化。該論文的作者Abyga?l Viey表示，電壓閾值 (VTH ) 在正柵極應力下是由兩組陷阱引起的。第一個原因與已知的效應，即柵極氧化物中的缺陷密切相關，而第二個原因是由于 GaN 襯底中存在碳原子，這是一個新發(fā)現(xiàn)。據研究人員稱，應避免V TH不穩(wěn)定性，因為它們會降低晶體管的壽命并影響其動態(tài)性能。這項工作還表明，可以提供一個能夠以高精度預測 V TH不穩(wěn)定性的準確模型。特別是，眾所周知的捕獲-發(fā)射-時間圖模型用于確認兩個陷阱群的存在并預測 V TH 當應用特定的柵極或溫度應力條件時發(fā)生偏移（pBTI 退化）。

正如 Abyga?l Viey 所說，基于 GaN 的器件的效率可以提高，從而降低器件的總電容，從而減少開關時間。通過抑制已知的電流崩塌現(xiàn)象（包括在施加高漏電壓后暫時降低漏電流（然后是輸出功率）），還可以通過提高器件可靠性來提高效率。基于 GaN 的 HEMT 器件仍然受到閾值電壓漂移 (BTI) 的影響，這會影響器件性能，進而影響效率。

第二篇論文由William Vandendaele撰寫，重點介紹氧化物/GaN 界面電氣質量的表征，以了解 CEA-Leti 柵極堆疊的界面陷阱密度是否是 GaN-on-Si MOS-c 中的主要閾值電壓貢獻者HEMT 并確認研究所在 10 多年的研究中開發(fā)的解決方案的性能。Dit 提取了在氧化物/半導體界面處具有電活性的界面缺陷的密度及其在能量方面的分布。由于 V TH與半導體的金屬柵極功函數(shù)和摻雜等物理參數(shù)以及氧化物和界面中的固定或移動電荷等一些缺陷相關參數(shù)嚴格相關，因此該密度會顯著影響 VTH如果接口未正確鈍化和處理。擁有該界面的準確可靠的表征技術非常重要，因為它可以幫助行業(yè)或研究人員評估界面陷阱密度，這是開發(fā)和優(yōu)化基于 MOS 的 GaN 功率器件的要求。

安森美半導體

安森美半導體最近在工業(yè)和云電源領域推出了兩款新產品：擴展 650-V SiC MOSFET 產品組合和用于 GaN 的半橋柵極驅動器。正如安森美半導體戰(zhàn)略和企業(yè)營銷高級經理 Ali Husain 所說，WBG 是電力電子的一個重要領域。它正逐漸進入傳統(tǒng)上以硅基器件為主的領域，如 IGBT 和超級結。安森美半導體在所有這些市場領域都很活躍，尤其是在汽車領域，寬帶隙主要用于牽引和 OBC、太陽能、電動汽車充電、其他工業(yè)電源應用，甚至云。WBG 的好處包括更高的擊穿強度，這意味著需要更少的半導體材料來阻止所需的電壓，減少漂移區(qū)的長度并允許較低的導通電阻。電子飽和速度越高，RDS(on) 越低，有助于提高開關頻率、減小尺寸、漏電流和溫度。更高的熱導率意味著您可以通過相同體積的半導體材料運行更多電流，因為可以更輕松地去除熱量。新的 650V SiC MOSFET 已經發(fā)布，適用于工業(yè)級和汽車級。對于 GaN 的半橋柵極驅動器，其要求類似于傳統(tǒng)的硅 MOSFET 驅動器：需要高峰值電流來控制開啟和關閉，以及快速的上升和下降時間。為了保護 GaN 器件的敏感柵極氧化物，驅動器應在導通時間內提供精確調節(jié)的柵極驅動幅度。在高功率應用中，可能需要負偏壓以實現(xiàn)最快的關斷速度并在器件關斷狀態(tài)期間提供 dV/dt 抗擾度。此外，因為即使是很小的源電感值也會對開關性能產生負面影響，所以低電感封裝是最佳選擇。圖 2 顯示了用于 GaN 的 ON Semi 150V 半橋柵極驅動器的框圖。該器件將高側和低側柵極驅動器集成在同一器件中，能夠提供 5.2V 穩(wěn)壓驅動電壓，針對 GaN 進行了優(yōu)化。上升和下降時間非常快 (1 ns)，以利用寬帶隙器件的高開關頻率。高開關頻率意味著非常高的 dv/dt，因此，該器件的設計可承受高達 200V/ns 的瞬變。快速切換還需要低傳播延遲（最大值為 50 ns）。這有利于數(shù)據中心的應用，尤其是 48V 至 12V 中間總線轉換器、電信和工業(yè)電源模塊。

圖 2：GaN 半橋柵極驅動器框圖

審核編輯 黃昊宇