GaN 为电源应用开辟了新领域

氮化镓 (GaN) 是一种宽带隙 (WBG) 半导体，在长期以来由传统硅 (Si) 基组件主导的多种电源应用中正在获得动力。高效率、在比硅更高的开关频率和温度下工作的能力以及占用空间小是使这种 WBG 材料能够满足最严格的电源应用要求的一些特性。本文将介绍三个组织的一些产品、解决方案和研究成果，它们对基于氮化镓的功率器件的开发和市场占有率做出了重大贡献。

小结

MinDCet 是一家比利时公司，成立于 2011 年，是从鲁汶天主教大学分拆出来的，从一开始就专注于高电压和高功率 ASIC 设计。多年来，MinDCet 在高压 IC 测试的开发、提供测试和测量系统以及最终生产测试服务方面进行了大量投资。他们的第一个标准产品是 MDC901，这是一款 200V GaN 栅极驱动器，与半桥评估套件一起提供。图1为MDC901框图；能够驱动高端和低端，它是市场上唯一真正的 200V GaN 驱动器。考虑到芯片内部的所有电路（自举二极管、电荷泵和内部栅极电压调节器），事实证明使用分立解决方案可以节省高达实际所需面积的 5 倍。

图 1：MDC901 框图

驱动 GaN 并不完全像驱动 MOSFET 那样容易。需要更快的开启和关闭时间（这意味着更高的 dV/dt）以及更低和更严格的受控栅极开启电压。在 PCB 层面，驱动 GaN 的主要挑战包括优化栅极环路电感、电源电感、栅极电阻以及漏源电感。在栅极驱动器 IC 层面，设计人员应关注死区时间控制、dV/dt 抗扰度、LS/HS 延迟匹配、负源电压和栅极过充电。

栅极驱动器的一个相关关键特性是高侧和低侧之间的对称性，可实现小于 1 ns 的延迟匹配，优化死区时间。该器件具有前所未有的高达 9A 的栅极驱动器强度，支持具有 100V/ns 兼容压摆率的高速开关，并支持低至 –4V 的负源电压瞬变，从而避免栅极误触发。该器件还可用作双并行低端，从而简化推挽转换器等应用的设计。

到今年年底，MDC901 将紧随其后的是 MDC801，这是一种碳化硅 (SiC) 栅极驱动器。MinDCet 产品还包括用于表征电感器和电容器损耗的测量系统（名为 MADMIX 和 MADCAP）。MADMIX 是一个独特且获得专利的利基系统，目前由大约 80% 的主要电感器制造商拥有，他们在实验室中使用该系统来开发电感器并对其进行基准测试。MADCAP 电容器测量系统目前正在开发中，很快将交付给第一批客户。

东航-莱蒂

位于法国格勒诺布尔的研究机构 CEA-Leti 在 IEDM 2020 上发表了两篇补充论文，重点介绍了在克服制造 GaN 节能电力电子设备挑战方面的进展。研究人员对基于硅上氮化镓 (GaN-on-Si) 的高电子迁移率晶体管 (HEMT) 进行了实验，展示了 GaN 基半导体如何提高越来越紧凑的电源转换器的性能和可靠性硅。第一篇论文研究了晶体管栅极正偏置时发生的正偏置温度不稳定性 (pBTI) 效应背后的物理原理，旨在确定这种效应的根本原因以及如何将其最小化。该论文的作者Abygaël Viey表示，电压阈值 (VTH ) 在正栅极应力下是由两组陷阱引起的。第一个原因与已知的效应，即栅极氧化物中的缺陷密切相关，而第二个原因是由于 GaN 衬底中存在碳原子，这是一个新发现。据研究人员称，应避免V TH不稳定性，因为它们会降低晶体管的寿命并影响其动态性能。这项工作还表明，可以提供一个能够以高精度预测 V TH不稳定性的准确模型。特别是，众所周知的捕获-发射-时间图模型用于确认两个陷阱群的存在并预测 V TH 当应用特定的栅极或温度应力条件时发生偏移（pBTI 退化）。

正如 Abygaël Viey 所说，基于 GaN 的器件的效率可以提高，从而降低器件的总电容，从而减少开关时间。通过抑制已知的电流崩塌现象（包括在施加高漏电压后暂时降低漏电流（然后是输出功率）），还可以通过提高器件可靠性来提高效率。基于 GaN 的 HEMT 器件仍然受到阈值电压漂移 (BTI) 的影响，这会影响器件性能，进而影响效率。

第二篇论文由William Vandendaele撰写，重点介绍氧化物/GaN 界面电气质量的表征，以了解 CEA-Leti 栅极堆叠的界面陷阱密度是否是 GaN-on-Si MOS-c 中的主要阈值电压贡献者HEMT 并确认研究所在 10 多年的研究中开发的解决方案的性能。Dit 提取了在氧化物/半导体界面处具有电活性的界面缺陷的密度及其在能量方面的分布。由于 V TH与半导体的金属栅极功函数和掺杂等物理参数以及氧化物和界面中的固定或移动电荷等一些缺陷相关参数严格相关，因此该密度会显着影响 VTH如果接口未正确钝化和处理。拥有该界面的准确可靠的表征技术非常重要，因为它可以帮助行业或研究人员评估界面陷阱密度，这是开发和优化基于 MOS 的 GaN 功率器件的要求。

安森美半导体

安森美半导体最近在工业和云电源领域推出了两款新产品：扩展 650-V SiC MOSFET 产品组合和用于 GaN 的半桥栅极驱动器。正如安森美半导体战略和企业营销高级经理 Ali Husain 所说，WBG 是电力电子的一个重要领域。它正逐渐进入传统上以硅基器件为主的领域，如 IGBT 和超级结。安森美半导体在所有这些市场领域都很活跃，尤其是在汽车领域，宽带隙主要用于牵引和 OBC、太阳能、电动汽车充电、其他工业电源应用，甚至云。WBG 的好处包括更高的击穿强度，这意味着需要更少的半导体材料来阻止所需的电压，减少漂移区的长度并允许较低的导通电阻。电子饱和速度越高，RDS(on) 越低，有助于提高开关频率、减小尺寸、漏电流和温度。更高的热导率意味着您可以通过相同体积的半导体材料运行更多电流，因为可以更轻松地去除热量。新的 650V SiC MOSFET 已经发布，适用于工业级和汽车级。对于 GaN 的半桥栅极驱动器，其要求类似于传统的硅 MOSFET 驱动器：需要高峰值电流来控制开启和关闭，以及快速的上升和下降时间。为了保护 GaN 器件的敏感栅极氧化物，驱动器应在导通时间内提供精确调节的栅极驱动幅度。在高功率应用中，可能需要负偏压以实现最快的关断速度并在器件关断状态期间提供 dV/dt 抗扰度。此外，因为即使是很小的源电感值也会对开关性能产生负面影响，所以低电感封装是最佳选择。图 2 显示了用于 GaN 的 ON Semi 150V 半桥栅极驱动器的框图。该器件将高侧和低侧栅极驱动器集成在同一器件中，能够提供 5.2V 稳压驱动电压，针对 GaN 进行了优化。上升和下降时间非常快 (1 ns)，以利用宽带隙器件的高开关频率。高开关频率意味着非常高的 dv/dt，因此，该器件的设计可承受高达 200V/ns 的瞬变。快速切换还需要低传播延迟（最大值为 50 ns）。这有利于数据中心的应用，尤其是 48V 至 12V 中间总线转换器、电信和工业电源模块。

图 2：GaN 半桥栅极驱动器框图

审核编辑 黄昊宇