新的GaN技术简化了驱动基于GaN的HEMT

在可用于 GaN 晶体管的不同结构中，横向结构是目前使用最广泛的。氮化镓高电子迁移率晶体管 (HEMT)是使用二维电子气作为晶体管通道的横向器件。这些器件允许功率电路（例如转换器）实现高效率和高功率密度。由于具有非常低的特定导通电阻，基于 GaN 的横向晶体管可以在高开关频率下工作，从而实现非常紧凑的设计。设计人员通常首选常关晶体管，因为它们可以保证电力电子系统的安全运行。

虽然乍一看似乎比较简单，但这些器件的栅极驱动器电路需要仔细设计。首先，通常关闭的基于 GaN 的 HEMT 需要负电压来将其关闭并将其保持在关闭状态，从而避免意外开启。这就是为什么此功能通常集成在市场上的商用栅极驱动器中的原因。需要负电压的另一个原因是 GaN HEMT 晶体管具有非常低的阈值电压 (1.2–1.5 V)，并且不希望的开启非常常见，尤其是在布局未优化的情况下。此外，这些器件的最大栅极电压约为 6.0–6.5 V，因此需要适当的钳位电路来将该电压保持在阈值限制以下，从而避免潜在的故障甚至损坏。

ICeGaN技术

Cambridge GaN Devices (CGD) 是一家公司，由首席执行官 Giorgia Longobardi 和首席技术官 Florin Udrea 在剑桥大学进行了近十年的前沿研发后于 2016 年创立。CGD 可以依靠在功率半导体领域拥有广泛而长期经验的专业团队，包括基于 GaN 的器件的设计和可靠性方面。

CGD 业务发展副总裁 Andrea Bricconi 在接受 Power Electronics News 采访时表示：“我们公司专注于两个目标：通过提供易于使用的氮化镓解决方案和可靠的。”

除了开发创新的器件、封装和电力电子板外，CGD 还领导国际项目，例如 GaNext，这是国际合作的典范。由 CGD 协调的 13 个合作伙伴组成的这个欧洲项目的唯一目标是创建 GaN 功率模块的原型，以解决低功率和高功率应用。

“今天的 GaN 市场正在蓬勃发展，从 1 kW 以下的消费领域开始。GaNext 项目旨在证明基于 GaN 的功率模块可以成功构思并应用于各种低功率和高功率应用，例如车载充电器 (OBC)、照明用LED 驱动器、光伏逆变器以及长期的牵引逆变器；最终目标是实现全面的功率密度飞跃，”布里科尼说。

CGD 制定的路线图预计其基于 GaN 的器件将在 2022 年进入商业化阶段，届时 650-V/750-V 功率晶体管将进入市场。ICeGaN 技术由一个功率晶体管组成，该晶体管具有单片集成的智能接口，用于传感/保护、易用性和增强的栅极可靠性。凭借 3 V 的阈值电压，这些增强型单芯片晶体管可以以高达 20 V 的栅极电压驱动，就像它们是普通的 MOSFET 一样。为了完成这项任务，CGD 将得到台积电（全球最大的半导体代工厂）的支持，这对初创公司来说是一大优势。

根据 Bricconi 的说法，由于其横向结构，硅上 GaN 比硅和碳化硅提供了更简单的集成。这反过来又允许设计人员将更多功能（例如多芯片和逻辑）集成到同一芯片中。

CGD的ICeGaN应用示意图如图1所示。该技术的优势可以总结如下：

它支持使用标准 MOSFET 驱动器和/或控制器。

毫不妥协的 GaN 开关性能或 RDS (on)

其他智能功能

应用优化机会

它有DV/DT控制。

它仍然需要由外部 IC 驱动。

图 1：ICeGaN 应用图

ICeGaN 技术的目标是将逻辑（图 1 中的绿框）集成到强大的、最先进的增强型 GaN HEMT 中。这为用户带来了两个好处：

易于使用：CGD 的 GaN HEMT 可以轻松连接到驱动器和控制器。

节省成本：不需要额外的组件、电压钳位或昂贵的栅极驱动器。

图 2 显示了标准 GaN HEMT 和 ICeGaN HEMT 之间的比较。对于标准 GaN 器件，栅极驱动困难、耗时且成本高昂。此外，栅极电压被限制在约 6-7 V 的最大值，此后禁区开始。反之，CGD 的 GaN HEMT 具有足够高的阈值电压，并且栅极电压可以扩展到大约 20 V，而不会影响器件的可靠性。

图 2：I CeGaN 结合了 Cascode 和 eMode 的美感

图 3：ICeGaN 传输特性与标准 eMode

传统 GaN 器件的平均栅极阈值电压约为 1.4 V，在关断状态下需要 –3 V 的典型栅极源极电压 (V gs )，在导通状态下需要介于 4 V 和 6 V 之间。CGD ICeGaN 器件在关断状态下要求 V gs为 0 V（内置米勒钳位），在导通状态下需要介于 8 V 和 20 V 之间，与任何栅极驱动器和控制器兼容。

正如 Bricconi 所指出的，CGD 认为栅极驱动器的单片集成在低功率方面非常出色，但很难扩展到高功率。

“我们的 ICeGaN 技术使我们能够添加新功能，例如集成电流感应，”布里科尼说。“用户可以更换外部检测电阻，从而将功率器件接地，大大改善冷却路径。”

目前，CGD 正致力于消费市场，部分致力于工业市场（功率水平高于 1 kW 的数据通信和电信应用）。前者提供的障碍较少，但给成本带来了很大压力。关于汽车，布里科尼说，这个市场的设计周期大约为几年。“首批配备 GaN 晶体管的汽车将在 2024 年至 2025 年之前问世。

尽管需要高度的可靠性，但事实证明，使用 GaN 可以使 OBC 的功率密度翻倍。

数据通信

Cambridge GaN Devices 宣布启动 ICeData，该项目由英国商业、能源和工业战略部 (BEIS) 资助，旨在开发和商业化用于数据中心服务器的高效 GaN 基集成电路 (IC)电源。数据中心目前消耗全球约 2% 的能源，2018 年的年用电量为 400 TWh，预计到本十年末将翻一番。GaN 结合了更高的效率和更高的功率密度，有望节省高达 10% 的投资和运行费用。

该项目的目标是开发GaN功率IC技术，将数据中心服务器电源效率提高到98%以上。IceData 将帮助 CGD 提供专为数据中心和电信服务器的开关模式电源设计的 GaN 解决方案，到 2030 年，这将有助于每年减少超过 8 兆吨的 CO 2 。

CGD 估计，到 2026 年，全球功率 GaN 市场将增长到超过 10 亿美元，这主要得益于电动汽车和混合动力汽车对更轻、更高效的电源以及更紧凑、更强大的 OBC 的需求。CGD第一条采用ICeGaN技术的产品线将于2022年上半年发布。


审核编辑：刘清