D 型 GaN HEMT 在功率转换方面的上风

氮化镓 (GaN) 是一种 III-V 族宽带隙半导体，由于在用作横向高电子迁徙率晶体管 (HEMT) 时具有杰出的质料和器件性能，因此在功率转换应用中得到越来越多的接纳。
HEMT 中产生的高击穿电场 (3.3 MV/cm) 和高二维电子气 (2DEG) 载流子迁徙率 (2,000 cm 2 / Vs) 可实现低比导通电阻 (R DS(on) )。这反过来又使得更小的器件具有更低的电容，从而低落消耗和/或更高的开关频率，这可以带来体系资本、尺寸和服从上风。在本文中，我们将讨论常见的 GaN HEMT 器件使用选项，并重点先容在高功率转换应用中使用耗尽型（d 型）HEMT 的一些上风。
GaN HEMT 范例
如图 1 所示，GaN HEMT 由放置在 GaN 沟道层上方的氮化铝镓 (AlGaN) 异质结形成。异质结中的极化效应天然会诱导通道中二维电子气的形成。该器件本质上是在栅极上施加零电压的情况下开启的，因此称为“耗尽模式”。在电力电子器件中，为了安全性和更简单的体系计划，开关器件优选为常断增强模式（e-mode）器件。

图 1：p-GaN 栅极 e 模式和 d 模式 GaN HEMT 器件的简化横截面图（Transphorm）人们实验了差别的方法，通过对栅极内部或附近举行修改，将 d 模式器件转换为 e 模式。许多公司接纳的方法是在栅极金属和 AlGaN 层之间添加 p-GaN 层（如图 2 所示）。这会将导带提升到费米能级之上，并使器件进入 e 模式，阈值电压 (V t ) 通常在 1.4 至 1.7 V 范围内。这里，可以根据栅极金属打仗的范例举行细分，如图2所示。肖特基打仗可以低落栅极导通时的栅极电流（I gs ）并进步栅极电压（V gs）利用范围稍小，但在可靠性方面存在匿伏缺点，这一点将在稍后讨论。

图 2：使用 p-GaN e 模式 GaN HEMT 形成栅极金属的选项（Borghese 等人，2021 1）d 模式器件可以与低压硅 (LV Si) MOSFET 器件级联，如图 3 所示。这答应更高的有用 V t (>2.5 V) 开启，从而答应使用栅极传统硅电力电子装备中的驱动器。
与 d 模式 GaN HEMT 一起使用的共源共栅设置。

图 3：与 d 模式 GaN HEMT 一起使用的共源共栅设置（Roccaforte 等人，2019 2）关于 HEMT 驱动机制的上述种别中存在多个子变体，并在表 1 中突出表现。
GaN HEMT 基于其技能和驱动机制的厘革的一些示例。

表 1：基于技能和驱动机制的 GaN HEMT 厘革的一些示例如今，我们将重点关注功率转换应用中共源共栅 d 模式方法与 e 模式方法相比的一些关键上风。此中一些在GaN 共源共栅器件制造商Transphorm 发布的白皮书中举行了总结。
共源共栅 D 模式 GaN HEMT 上风
低落 R DS(on)。多种因素大概导致 e 模式器件的品格因数比共源共栅器件差：
e-mode 器件中的 2DEG 电荷密度通常须要低落才气到达肯定的 V t。如图 4 所示，这会导致更高的 2DEG 方块电阻。
e-mode 器件的栅极电压范围 (V gs-max ) 较低，大概导致沟道无法实现完全反转。共源共栅架构控制 LV Si MOSFET 的开启，该 MOSFET 通常可驱动至高 (20V) V gs ， d 模式 GaN 上的V gs靠近 0V，从而保持器件完全开启。
e 模式器件中R DS(on)的温度系数较高。造成这种情况的一个告急因素是 p-GaN e 模式器件的跨导随温度的厘革而大幅低落，如图 5 所示。在共源共栅结构中，LV Si CMOS 器件对器件跨导特性有更好的控制，而且没有表现出类似水平的温度依靠性。在与 e-mode 器件的正面比力中，共源共栅结构的外壳温度低落了 50%，功率转换服从进步了。

图 4： d 模式和 e 模式 GaN HEMT 器件中AV t与通道 2DEG 薄层电阻的关系（Transphorm）p-GaN 栅极 e 模式和共源共栅 d 模式 GaN HEMT 器件之间的跨导温度相应比力。

图 5：p-GaN 栅极 e 模式和共源共栅 d 模式 GaN HEMT 器件之间的跨导温度相应比力（Transphorm）动态 R DS(on)。p-GaN 栅极器件的肖特基势垒变体大概会产生动态阈值题目，由于它会在导通转换期间拦阻栅泄电容 (C gd ) 的放电。3这进而大概导致动态 R DS(on)题目。在漏极电压为 480 V 时，p-GaN 肖特基栅极增强型 GaN HEMT 的动态 R DS(on)增长了 27%，而共源共栅器件的动态 R DS(on) 增长了 5%。这会导致增强模式器件中产生更大的传导消耗，如图 6 所示。C gd放电困难导致的V t不稳固也会导致增强模式器件中更大的开关消耗。

p-GaN 栅极 e 模式和共源共栅 d 模式 GaN HEMT 器件的动态 RDS(on) 性能和传导消耗比力。
图 6： p-GaN 栅极 e 模式和共源共栅 d 模式 GaN HEMT 器件之间的动态 R DS(on)性能和传导消耗比力（Transphorm）负栅极驱动要求。e 模式器件的低 Vt大概须要在关断时使用负Vgs 。这会增长栅极驱动电路的复杂性并增长死区时间丧失。在反向源漏导通模式下，电流必须降服负栅极驱动，从而导致消耗增长。
可靠性。肖特基二极管p-GaN 栅极增强模式器件充当背靠背二极管（见图 2）。现实上，这大概会在栅极过压条件下产生可靠性题目。在强正 V gs下，肖特基二极管反向偏置，导致V gs > V t落在金属界面附近的 p-GaN 耗尽层上。高电场会产生排泄路径和走漏。器件的与时间干系的故障也大概是由于电子从沟道注入 p-GaN 导致雪崩，大概是由于 p-GaN/AlGaN 界面中的陷阱产生。p-GaN 侧壁的粗糙度也会增长走漏。在高 V gs下从金属注入 p-GaN 层的空穴会在 p-GaN/AlGaN 界面处积聚并导致器件 V t低落。4 V ds限定：增强型器件的 Si 衬底必须毗连到源极度子，以减轻由源极注入电子引起的缓冲层充电。这会将器件的漏源电压额定值限定为约 650 V，由于电压较高时须要更厚的缓冲器。共源共栅器件已在更高的额定电压和双向开关中得到验证。5随着增强型模式器件与安全和感测电路的进一步集成，栅极驱动器自己大概使增强型模式器件的应用更加妥当。然而，固有的 d 型 GaN HEMT 上风使其可以大概与如今由碳化硅技能更轻易主导的更高功率电压范畴竞争。Transphorm在其 d 模式 GaN 共源共栅技能上展示了高性能和强大的功率转换，该技能接纳尺度封装，可以用尺度栅极驱动器驱动。

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