GaN 基础知识总结
2023-06-05 20:25 斑鸠，一生。 阅读(743) 评论(0) 编辑 收藏 举报1、简介
MOSFET与HEMT对比：
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导电沟道结构
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Vertical
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Lateral
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导电沟道类型
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PN结
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2DEG
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工艺
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Doping
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Heterostructure
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热阻
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基本相似
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GaN 是未来电力电子设计的趋势，知名电源大厂也在抢夺高频市场。
由于GaN 是通过AlGaN和GaN 在交界面的压电效应形成的二维电子气来导电，意味着GaN 是常开器件。
然而电力电子电路常需要常关的器件作为开关管，因此，市面上主要有两种方式将常开的GaN器件变成常关器件。
方式一：在内部串联一个低压增强型N沟道Mosfet。
方式二：在栅极增加P型GaN外延层来实现关断控制。
对比：
| DMode | EMode | |
| 可靠性 (栅极耐压/V) | 18V | 7V |
| 耐压/V | 较高 | 较低 |
| 工艺 | 一次外延 | 两次外延 |
| 晶圆成本 | 低 | 高 |
| 封装成本 | 高 | 低 |
| 驱动 | 电压型 | 电流型 |
| 驱动寄生电感影响 | 敏感 | 不敏感 |
| Rds_on | 较大 | 较小 |
| Qrr | litter | Zero |
| Qg | 较大 | 较小 |
| Coss | 较大 | 较小 |
| Vsd@Vgs=0 | Vds_Si+Id*Rds(0n)_GaN | |
| Vsd@Vgs>Vth_Si | Id*[Rds(on)_GaN+Rds(on)_Si] | |
| Vsd@Vgs<Vth | Vth+Vgs_off+Id*Rds(on)_GaN | |
| Vender |
NXP、Transphorm、Onsemi、ST、Ti CGD、GaNext、Nexperia、PI、Nexperia |
Infineon、GaN System、EPC、Navitas、RoHM、 英诺赛科、GaN Power、Panasonic、 |
反向导通特性：
EMode：
EMode GaN 的反向恢复特性等效为一个可变导通阈值二极管与一个电阻串联。
电阻的阻值由曲线的斜率决定，二极管的压降由Id电流为零时的Vds电压决定。该电压因Vgs不同而不同。
DMode:
DMode 的导通压降与Vgs关系也很大，但是没有EMode那么线性。当Vgs大于Vth_Si的时候，内部的Si Mosfet导通，等效为一个电阻Rds(on)_Si,当Vgs小于Vth_Si的时候，Si Mosfet关闭，反向导通压降为内部寄生二极管的导通压降。
2、驱动分析
目前，GaN 器件作为开关器件，dV/dt可以做到>=200V/ns,然而Si器件的dV/dt,一般在45V/ns以下。过高的dV/dt对驱动芯片的CMTI要求很高，在驱动芯片选型的时候，需要特别注意这个参数（在另外一篇博文里面分析了由于驱动芯片导致的失败的案例）。
Infineon 官方给了一种驱动GaN的电路，该电路在没有外加负电源的时候，使用电荷泵产生负压做到驱动负压关断。分析如下：
下图中，Rss是驱动高电平阶段，驱动电流调节电阻；
Iss = (VDD-VF)/Rss
Rtr是驱动高低，或者低高切换阶段，开关速度dV/dt的调节电阻；
在开关管能实现软开关时，Rtr的选择不是很关键。
当导通的时候，电容Cc等效为短路，流过电阻Rtr的最大电流为：Ion,max ~ (VDD + VNf)/Rtr
当关断的时候，电容Cc等效为短路，流过电阻Rtr的最大电流为：Ioff,max ~ (Vth + VN)/Rtr
Cc是为了提供负压的偏置。
由于驱动需要一直提供负压，所以要求VN必须一直为正。根据电容电荷守恒原理可以得到：VN = [Cc*(VDD - VF) - Qgeq]/(Cc +Cgs)
当开关管是硬开关时，Qgeq ~ Qgs
当开关管是软开关时，Qgeq ~ Qgs + Qgd
针对上述电路，Infineon官方给出了如下模态分析,四个模态分别为：
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- PWM 从低电平变为高电平
- PWM 维持高电平阶段
- PWM 从高电平变为低电平
- PWM 维持低电平阶段
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个人对Infineon的四个模态分析，存在以下着一些疑问，以dV/dt = 200V/ns为例，Vds从零上升到400V需要2ns的时间。
从电路的角度，在2ns的时间内，电流在给Rtr，Cc充电的时候，也会流过电阻Rss。
从计算的角度，如果开关频率是1MHz的情况下，一个开关周期1000ns,2ns，甚至是20ns的时间，流过Rss电阻上的电流较小，分析的意义不大。
