用于低温应用的GaN

氮化镓功率器件由于其优异的性能而被用于越来越多的应用中。本文解释了要考虑的主要特征。一项可能的研究是将 GaN 用于低温应用，例如航空、太空和超导系统，特别是在不同电路配置中低于液氮温度 (77 K) 的工作条件。在本文中，报告了一些关于低温环境中不同开关和电压损耗配置的研究。作者研究了四个商用 GaN 器件在 400 K 和 4.2 K 之间的宽温度范围内的性能。据作者介绍，正如原始文章中所报道的，所有测试的器件都可以在低温下成功运行，性能整体有所提高。然而，不同的 GaN HEMT 技术意味着器件栅极控制的显着变化。

GaN HEMT

在本博客中，我们讨论了 GaN 在温度接近 150˚C 的各种应用中与硅相比的改进性能。然而，许多应用需要能够在低至几开尔文的温度下运行的设备——考虑新能源用途、能量存储、超导体以及航空和太空应用。

随着成本和结构复杂性的大幅增加，电力系统通常被绝缘并保持在环境温度下。因此，直接在相关温度下运行系统将是非常有利的。

当硅和宽禁带器件（如碳化硅和垂直 GaN）的温度下降时，会出现两个重要现象，如文章中所述：载流子迁移率随着高性能参数电子-声子相互作用的降低而上升。此外，这种下降反映在载流子密度的下降中，这导致沟道电阻的增加和向正阈值电压 (V th ) 水平的转变。

由于载流子是由 AlGaN 势垒和 GaN 层之间的极化失配产生的，因此 GaN HEMT 不需要任何掺杂即可在沟道中获得高浓度的电子。温度与这种情况无关。

商业器件（ EPC和GaN 系统）的特性评估已发表在多篇研究论文中，证明了在 77 K 温度下性能的提升。这项工作的作者着眼于标准 GaN 拓扑的性能，包括栅极注入晶体管(GIT) 和级联，以及器件传导和软开关和硬开关损耗等特性，从 400 K 到 4.2 K。原始 IEEE 文章中考虑的器件如图 1 所示。

图 2 显示了作者用来进行测量的方案。使用 PID 控制器，温度在 400 K 和 4.2 K 之间变化，公差为 0.1 K，测量在真空条件下进行（10E-4 mbar，300 K）。

图 1：用于测量的 GaN 器件

图 2：(a) 用于器件表征的低温探针台；(b,c) GaN 器件的电路/示意图（来源：IEEE）

基本上，描述和比较了四种商业设备，每一种都具有相同的电流和电压，但设备技术不同。为了同时提供直流器件和开关特性，采用了两个晶体管。一个 10nF（多层陶瓷）C ref电容器连接到一个器件的栅极和源极端子，以执行 Sawyer-Tower (ST) 测试以评估器件开关损耗（图 2）。有关 ST 方法的更多详细信息，请阅读本文。

图 3：(a) T3 从 400 到 4.2 K 的传输特性；(b) V th作为四个器件的温度函数；(c) 比较器件的导通电阻与温度的关系；(d)关于四个器件的室温值的归一化 R on （来源： IEEE）

从作者的研究中，可以在图 3 中观察到传递函数，以及因此特性的正向偏移。另一方面，基于 1mA I ds的阈值电压表明解决方案之间存在显着差异。随着温度下降，GIT 器件（T3 和 T4）的 V th保持相对恒定但缓慢上升。级联共栅显着上升，但电路的弹性使其能够以高栅极电压 (V g ) 驱动，以补偿 V th漂移。V thT1 从环境温度下的 1.6 V 下降到 4.2 K 下的 1 V。这种影响可能会导致更小的“关闭”状态余量，从而减少误报。这种效果可以确保减少“关闭”状态裕度，从而在这些条件下产生误报。

图 3c 中看到的温度下降表明器件的导通电阻降低。这是由于电子迁移率增加导致电阻降低。然而，这四种设备的行为不同，表明它们都与 HEMT 技术相关，正如作者实现的归一化值（图 3 中的 d）图所示。技术之间的这种行为差异对器件传导、损耗和驱动电路有直接影响。

根据电路的工作条件，器件会受到软开关或硬开关损耗的影响。Soft 通常以 ST 测量为特征，并与器件输出电容 (C oss )的非理想充电和放电有关，并且在高频下变得很重要。参考电容器上的电压 (V ref ) 的测量允许获得 Q oss ，因此考虑到充电和放电路径之间的滞后循环，在每个开关周期 (E diss )消耗的能量。

正如文章中所指出的，它们的反应都不同，这意味着这种差异与捕获位点的特定能级紧密相关。由于每个制造商经常使用自己的结构，因此开关损耗值和温度特性应根据所使用的 GaN 缓冲混合物和 Si 衬底而有很大差异。这组作者说，与传导损耗相比，软开关损耗具有中等的温度依赖性。

在这种情况下，很难测量硬开关损耗。主要贡献由f × E oss表示（其中f是开关频率，E oss是在“关闭”状态下某个值 V ds时存储在晶体管输出电容中的能量）和另一个与C oss放电期间从电路流过器件通道的外部负载电流。如原始文章中的图表所示，E oss对硬开关损耗的贡献在很宽的温度范围内是相当恒定的（T4 的变化更大）。

从分析中可以看出，所有测试的设备都可以在低温下运行。不同的 GaN HEMT 技术经历了设计过程中需要考虑的变化。



审核编辑：刘清