功率GaN加速普及，E-Mode和D-Mode如何选择？

电子发烧友网报道（文/梁浩斌）GaN在近几年的应用发展非常迅速，从最开始的消费电子领域，手机快充充电头，已经拓展到数据中心、光伏、储能，甚至是电动汽车、充电桩等应用。集邦咨询的预测显示，到2026年，全球功率GaN市场规模将会从2022年的1.8亿美元增长至13.3亿美元，年均复合增长率高达65%。
 
而功率GaN器件从栅极技术路线上，目前有两种主流的方向，包括增强型E-Mode和耗尽型D-Mode。那么这两种技术路线有哪些差异？
 
耗尽型（D-Mode）GaN器件
 
D-Mode GaN是一种常开型器件，在没有施加栅极电压时，器件处于导通状态，需要施加负向栅极电压减少沟道中的电子浓度，耗尽沟道电子，从而减小或关闭电流。
 
在GaN器件中，二维电子气是在GaN和AIGaN层之间的界面上自发形成的，这个二维电子气层具有非常高的电子密度和迁移率，这使得GaN器件能够实现快速的电子传输和低电阻，从而带来高效率和高速开关的性能。而D-Mode GaN保留了这些优势，因此具有极高的开关速度。
 
由于具备高频开关和低导通电阻的特性，D-Mode GaN适合用于高效率和高频应用，在高功率密度、大功率等应用有很大应用空间，比如在光伏微型逆变器、OBC、充电桩、数据中心电源等。
 
在实际应用时，常开的D-Mode GaN器件是无法直接使用的，需要通过外围增加元器件，将其变成常关型才能使用。比如快充等应用中，D-Mode GaN器件一般需要串联低压硅MOSFET使用，利用低压硅MOSFET的开关带动整体开关，将常开型变为常关型器件使用。
 
D-Mode GaN主要包括两种技术架构，分别是级联（Cascode）和直驱（Direct Drive）。前面提到的串联低压硅MOSFET开关带动整体开关就是Cascode的D-Mode GaN架构，这种架构也是目前的主流架构，可靠性更高，在高功率、高电压、大电流应用中用性更高，比如在电动汽车、工业等应用上。
 
D-Mode GaN的驱动兼容性也更好，比如级联型的D-Mode GaN可以使用与传统硅MOSFET相同的驱动电路，不过由于开关频率和开关速度远远高于硅MOSFET，所以驱动集成电路要求能够在高dv/dt的环境下稳定工作。
 
目前走D-Mode路线的功率GaN厂商主要有Transphorm、PI、TI、安世、镓未来、华润微（润新微）、能华微、芯冠等。
 
增强型（E-Mode）GaN器件
 
增强型GaN是一种常关型器件，在没有施加栅极电压时，器件处于关断状态，不导电；需要施加正向栅极电压来形成导电通道，器件才能导通。
 
前面提到在GaN器件中，二维电子气是在GaN和AIGaN层之间的界面上自发形成的。为了实现常关型操作，需要在栅极下方引入p型掺杂的GaN层（p-GaN）。这种掺杂创建了一个内置的负偏压，类似于一个小的内置电池，这有助于耗尽2DEG通道，从而实现常关型操作。
 
增强型GaN可以直接实现0V关断和正压导通，无需损失GaN的导通和开关特性，在硬开关应用中可以有效降低开关损耗和EMI噪声，更适合对故障安全有严格要求的低功率到中等功率应用，例如DC-DC变换器、LED驱动器、充电器等。
 
在应用中，由于E-Mode GaN是常关型器件，使用方式可以与传统的硅MOSFET类似，但需要复杂的外围电路设计。如果要直驱，需要匹配专用的GaN驱动IC。比如纳芯微的E-mode GaN专用高压半桥栅极驱动器NSD2621、英飞凌的GaN EiceDRIVER系列高侧栅极驱动器等。
 
不过E-Mode GaN器件也有缺点，首先因为需要控制二维电子气来实现常关特性，这可能会影响器件的动态性能，在开关速度上可能不如D-Mode器件。同时在热管理方面，E-Mode GaN导通电阻随温度变化而增加，所以在高功率应用中需要更加可靠的散热设计。E-Mode GaN器件的栅极还可能存在稳定性和漏电流的问题，可能会影响器件的可靠性和性能。
 
目前走E-Mode路线的功率GaN厂商主要有英飞凌（GaN Systems）、EPC、英诺赛科、纳微半导体、松下、量芯微。
 
E-Mode和D-Mode如何选择？
 
在实际应用中，如何选择E-Mode或D-Mode的GaN器件？从前面对两种形式的GaN器件的分析，可以根据实际应用的需求，从几个方面来进行选择。
 
首先是对系统的安全要求，如果应用需要故障安全操作，常关型的E-MODE GaN是更好的选择；而常开型的D-Mode GaN，在系统可以通过外部控制实现安全操作时则更加适合，因为D-Mode GaN可以提供更快的开关速度和更高的频率、更低的损耗。
 
在高频应用中，D-Mode相对更有优势，同时其低导通电阻和高速开关的特性，在散热受限的场景，或是需要高效率转换的场景会有更好表现。
 
在驱动电路上，由于E-Mode GaN是常闭型器件，驱动电路会较为简单，D-Mode GaN则需要相对更复杂的电路设计。同样，如果是在现有的系统上进行升级集成，那么E-Mode使用方式和特性与传统硅MOSFET较为类似也会是一个优势。
 
在工业或汽车等环境较为恶劣的应用中，D-Mode在高温和高压环境下可靠性和寿命会更高，更适合于这些应用场景。