GaN 為電源應(yīng)用開辟了新領(lǐng)域

氮化鎵 (GaN) 是一種寬帶隙 (WBG) 半導(dǎo)體，在長(zhǎng)期以來(lái)由傳統(tǒng)硅 (Si) 基組件主導(dǎo)的多種電源應(yīng)用中正在獲得動(dòng)力。高效率、在比硅更高的開關(guān)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(yán)格的電源應(yīng)用要求的一些特性。本文將介紹三個(gè)組織的一些產(chǎn)品、解決方案和研究成果，它們對(duì)基于氮化鎵的功率器件的開發(fā)和市場(chǎng)占有率做出了重大貢獻(xiàn)。

小結(jié)

MinDCet 是一家比利時(shí)公司，成立于 2011 年，是從魯汶天主教大學(xué)分拆出來(lái)的，從一開始就專注于高電壓和高功率 ASIC 設(shè)計(jì)。多年來(lái)，MinDCet 在高壓 IC 測(cè)試的開發(fā)、提供測(cè)試和測(cè)量系統(tǒng)以及最終生產(chǎn)測(cè)試服務(wù)方面進(jìn)行了大量投資。他們的第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品是 MDC901，這是一款 200V GaN 柵極驅(qū)動(dòng)器，與半橋評(píng)估套件一起提供。圖1為MDC901框圖；能夠驅(qū)動(dòng)高端和低端，它是市場(chǎng)上唯一真正的 200V GaN 驅(qū)動(dòng)器?？紤]到芯片內(nèi)部的所有電路（自舉二極管、電荷泵和內(nèi)部柵極電壓調(diào)節(jié)器），事實(shí)證明使用分立解決方案可以節(jié)省高達(dá)實(shí)際所需面積的 5 倍。

圖 1：MDC901 框圖

驅(qū)動(dòng) GaN 并不完全像驅(qū)動(dòng) MOSFET 那樣容易。需要更快的開啟和關(guān)閉時(shí)間（這意味著更高的 dV/dt）以及更低和更嚴(yán)格的受控柵極開啟電壓。在 PCB 層面，驅(qū)動(dòng) 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(qū)動(dòng)器 IC 層面，設(shè)計(jì)人員應(yīng)關(guān)注死區(qū)時(shí)間控制、dV/dt 抗擾度、LS/HS 延遲匹配、負(fù)源電壓和柵極過(guò)充電。

柵極驅(qū)動(dòng)器的一個(gè)相關(guān)關(guān)鍵特性是高側(cè)和低側(cè)之間的對(duì)稱性，可實(shí)現(xiàn)小于 1 ns 的延遲匹配，優(yōu)化死區(qū)時(shí)間。該器件具有前所未有的高達(dá) 9A 的柵極驅(qū)動(dòng)器強(qiáng)度，支持具有 100V/ns 兼容壓擺率的高速開關(guān)，并支持低至 –4V 的負(fù)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(jiǎn)化推挽轉(zhuǎn)換器等應(yīng)用的設(shè)計(jì)。

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(qū)動(dòng)器。MinDCet 產(chǎn)品還包括用于表征電感器和電容器損耗的測(cè)量系統(tǒng)（名為 MADMIX 和 MADCAP）。MADMIX 是一個(gè)獨(dú)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?cè)趯?shí)驗(yàn)室中使用該系統(tǒng)來(lái)開發(fā)電感器并對(duì)其進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試。MADCAP 電容器測(cè)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(guó)格勒諾布爾的研究機(jī)構(gòu) CEA-Leti 在 IEDM 2020 上發(fā)表了兩篇補(bǔ)充論文，重點(diǎn)介紹了在克服制造 GaN 節(jié)能電力電子設(shè)備挑戰(zhàn)方面的進(jìn)展。研究人員對(duì)基于硅上氮化鎵 (GaN-on-Si) 的高電子遷移率晶體管 (HEMT) 進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，展示了 GaN 基半導(dǎo)體如何提高越來(lái)越緊湊的電源轉(zhuǎn)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(shí)發(fā)生的正偏置溫度不穩(wěn)定性 (pBTI) 效應(yīng)背后的物理原理，旨在確定這種效應(yīng)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(yīng)力下是由兩組陷阱引起的。第一個(gè)原因與已知的效應(yīng)，即柵極氧化物中的缺陷密切相關(guān)，而第二個(gè)原因是由于 GaN 襯底中存在碳原子，這是一個(gè)新發(fā)現(xiàn)。據(jù)研究人員稱，應(yīng)避免V TH不穩(wěn)定性，因?yàn)樗鼈儠?huì)降低晶體管的壽命并影響其動(dòng)態(tài)性能。這項(xiàng)工作還表明，可以提供一個(gè)能夠以高精度預(yù)測(cè) V TH不穩(wěn)定性的準(zhǔn)確模型。特別是，眾所周知的捕獲-發(fā)射-時(shí)間圖模型用于確認(rèn)兩個(gè)陷阱群的存在并預(yù)測(cè) V TH 當(dāng)應(yīng)用特定的柵極或溫度應(yīng)力條件時(shí)發(fā)生偏移（pBTI 退化）。

正如 Abyga?l Viey 所說(shuō)，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(guān)時(shí)間。通過(guò)抑制已知的電流崩塌現(xiàn)象（包括在施加高漏電壓后暫時(shí)降低漏電流（然后是輸出功率）），還可以通過(guò)提高器件可靠性來(lái)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(huì)影響器件性能，進(jìn)而影響效率。

第二篇論文由William Vandendaele撰寫，重點(diǎn)介紹氧化物/GaN 界面電氣質(zhì)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(xiàn)者HEMT 并確認(rèn)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(dǎo)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(dǎo)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(dòng)電荷等一些缺陷相關(guān)參數(shù)嚴(yán)格相關(guān)，因此該密度會(huì)顯著影響 VTH如果接口未正確鈍化和處理。擁有該界面的準(zhǔn)確可靠的表征技術(shù)非常重要，因?yàn)樗梢詭椭袠I(yè)或研究人員評(píng)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(dǎo)體

安森美半導(dǎo)體最近在工業(yè)和云電源領(lǐng)域推出了兩款新產(chǎn)品：擴(kuò)展 650-V SiC MOSFET 產(chǎn)品組合和用于 GaN 的半橋柵極驅(qū)動(dòng)器。正如安森美半導(dǎo)體戰(zhàn)略和企業(yè)營(yíng)銷高級(jí)經(jīng)理 Ali Husain 所說(shuō)，WBG 是電力電子的一個(gè)重要領(lǐng)域。它正逐漸進(jìn)入傳統(tǒng)上以硅基器件為主的領(lǐng)域，如 IGBT 和超級(jí)結(jié)。安森美半導(dǎo)體在所有這些市場(chǎng)領(lǐng)域都很活躍，尤其是在汽車領(lǐng)域，寬帶隙主要用于牽引和 OBC、太陽(yáng)能、電動(dòng)汽車充電、其他工業(yè)電源應(yīng)用，甚至云。WBG 的好處包括更高的擊穿強(qiáng)度，這意味著需要更少的半導(dǎo)體材料來(lái)阻止所需的電壓，減少漂移區(qū)的長(zhǎng)度并允許較低的導(dǎo)通電阻。電子飽和速度越高，RDS(on) 越低，有助于提高開關(guān)頻率、減小尺寸、漏電流和溫度。更高的熱導(dǎo)率意味著您可以通過(guò)相同體積的半導(dǎo)體材料運(yùn)行更多電流，因?yàn)榭梢愿p松地去除熱量。新的 650V SiC MOSFET 已經(jīng)發(fā)布，適用于工業(yè)級(jí)和汽車級(jí)。對(duì)于 GaN 的半橋柵極驅(qū)動(dòng)器，其要求類似于傳統(tǒng)的硅 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器：需要高峰值電流來(lái)控制開啟和關(guān)閉，以及快速的上升和下降時(shí)間。為了保護(hù) GaN 器件的敏感柵極氧化物，驅(qū)動(dòng)器應(yīng)在導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)提供精確調(diào)節(jié)的柵極驅(qū)動(dòng)幅度。在高功率應(yīng)用中，可能需要負(fù)偏壓以實(shí)現(xiàn)最快的關(guān)斷速度并在器件關(guān)斷狀態(tài)期間提供 dV/dt 抗擾度。此外，因?yàn)榧词故呛苄〉脑措姼兄狄矔?huì)對(duì)開關(guān)性能產(chǎn)生負(fù)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(qū)動(dòng)器的框圖。該器件將高側(cè)和低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器集成在同一器件中，能夠提供 5.2V 穩(wěn)壓驅(qū)動(dòng)電壓，針對(duì) GaN 進(jìn)行了優(yōu)化。上升和下降時(shí)間非?？?(1 ns)，以利用寬帶隙器件的高開關(guān)頻率。高開關(guān)頻率意味著非常高的 dv/dt，因此，該器件的設(shè)計(jì)可承受高達(dá) 200V/ns 的瞬變?？焖偾袚Q還需要低傳播延遲（最大值為 50 ns）。這有利于數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用，尤其是 48V 至 12V 中間總線轉(zhuǎn)換器、電信和工業(yè)電源模塊。