03.03 「學術論文」GaN FET的結構、驅動及應用綜述

摘 要 ：

隨著電力電子裝置的小型化和輕量化，寬禁帶半導體器件GaN FET優於Si器件的特性使其在電力電子領域的應用受到廣泛關注。在GaN FET的發展中，其結構和驅動對其安全應用至關重要。首先介紹了目前GaN FET器件的主要結構、工作原理及其產品現狀；其次，總結了其驅動電路的隔離方式、常用的分立式驅動電路和集成式驅動電路的結構及原理；最後，對GaN FET在電力電子領域的應用情況進行了概述。

中文引用格式：伍文俊，蘭雪梅. GaN FET的結構、驅動及應用綜述[J].電子技術應用，2020，46(1)：22-29，38.

英文引用格式：Wu Wenjun，Lan Xuemei. Overview on GaN FET structure, driving and its application[J]. Application of Electronic Technique，2020，46(1)：22-29，38.

0引言

氮化鎵(GaN)為第三代寬禁帶半導體材料，在高溫、高壓、高頻等應用場合其半導體器件的特性都要優於Si基半導體器件，因此，在電力電子的應用領域備受矚目。

用GaN材料製成的功率器件GaN FET具有低的擊穿電壓、低的閾值電壓、低的柵極電荷Qg，其開關頻率高，導通電阻小。GaN FET優越的特性與其器件結構有極大的關係。但是它的缺點也不可忽視，在高頻應用場合表現極為明顯，比如其對寄生參數極其敏感，高頻使用時極易使柵極電壓產生振盪，引起柵極過電壓，導致器件工作不穩定，甚至不安全。因此相較於傳統的Si基半導體器件的驅動電路，GaN FET的驅動要求更為嚴苛。GaN FET的進步、應用的發展與其器件結構和驅動電路有密不可分的聯繫，因此，其器件結構和驅動電路的研究很有意義。本文將對當前國內外GaN FET的器件結構、驅動電路及其在電機驅動、LED驅動、光伏逆變器、POL等場合中的應用進行綜述。

1GaN FET的器件結構及工作原理

GaN FET器件的結構目前主要有耗盡型(Depletion mode，D-mode)和增強型(Enhancement mode，E-mode)。增強型GaN FET又分單體GaN和Cascade GaN(共柵共源)。

1.1 耗盡型GaN FET

耗盡型GaN FET的器件結構如圖1所示。耗盡型GaN FET採用Si材料作為GaN FET的基片，在Si基片基礎上生長出高阻性的GaN晶體層，即氮化鎵通道層(GaN channel)。一般在GaN層和Si襯底層之間添加氮化鋁(AIN)絕緣層作為氮化鎵緩衝層(GaN buffer)，將器件和襯底隔離開來。AlGaN層存在GaN層和柵極(G)、源極(S)和漏極(D)之間；AlGaN層和GaN層之間可以產生具有高電子遷移率、低電阻特性的二維電子氣(Two-Dimensional Electron Gas，2DEG)，且它的濃度隨AlGaN厚度先線性增加，然後達到飽和。

與Si傳統器件不同，耗盡型GaN FET由於氮化物極強的極化效應，AlGaN/GaN異質結可以通過自發極化和壓電極化效應在其界面形成很高濃度2DEG導電溝道，在零柵壓下，器件處於導通狀態。因此往往需要負壓關斷。耗盡型GaN FET不同於Si MOSFET的是，由於其柵極下方不存在與S極連接的P型寄生雙極性區，因此沒有寄生體二極管，故而器件開關損耗小、具有對稱的傳導特性。因此GaN FET可由正柵源電壓V_GS或正柵漏電壓V_GD驅動。

1.2 增強型GaN FET

對於耗盡型GaN FET，要關斷器件，必須加負柵壓。這意味著電路中一旦有耗盡型GaN FET，就會增加柵極驅動設計的複雜性，而且易發生誤導通，有直通的潛在威脅，使電路穩定性和安全性降低。增強型GaN FET則相反，只有加正偏壓才會導通，減小了電路複雜性，穩定性和安全性也較好。目前，增強型GaN FET主要是在耗盡型高電子遷移率晶體管(Gallium Nitride High Electron Mobility Transistor，GaN HEMT)結構的基礎上改進而成。目前主要的增強型GaN FET結構方案包括：P型柵、凹槽柵、Cascode結構等。

1.2.1 P型柵結構

有很多學者研究P型柵結構的GaN FET，如圖2所示^[1-2]。與耗盡型不同的是，P型柵結構是在AlGaN勢壘層上生長了一個帶正電的P型GaN柵極，如圖2中的P-GaN層。P型GaN層可以拉昇AlGaN勢壘層的能帶，起到耗盡2DEG的作用，以實現常斷特性。當施加足夠的正V_GS時，使柵源電壓大於閾值電壓，P-GaN層的內電場被削弱，2DEG濃度上升，形成導通溝道，GaN FET器件導通。隨著V_GS的降低且小於閾值電壓，溝道又逐漸關閉，GaNFET器件關斷。因此，這種結構主要是通過控制P型柵極勢壘的電位，升降AlGaN勢壘層的能帶，使2DEG的濃度改變來實現對GaNFET器件的通斷控制。

文獻[3]在P型柵結構的基礎上，採用在P-GaN層上沉積TiN金屬，形成三層掩膜的柵極結構，從而實現肖特基接觸，如圖3所示。這種結構存在柵極場板，可增加高壓應用場板設計的靈活性。實驗證明，這種結構具有低柵極電阻、降低高漏源電壓V_DS時的導通電阻RDS-ON等優勢，且相比採用歐姆接觸的P-GaN結構，此結構降低了柵極漏電流。

1.2.2 凹槽柵結構

凹槽柵^[4]

1.2.3 Cascode結構

Cascode結構是由高壓耗盡型GaN HEMT和低壓增強型Si MOSFET(金屬氧化物半導體場效應晶體管)級聯構成的，如圖5所示。

從結構可知，當器件不加柵壓且漏源電壓大於零時，工作在正向阻斷模態；當柵壓大於Si MOSFET的閾值電壓時，器件正向導通；一旦Si MOSFET反向導通，器件將工作在反向導通模態。又因為Si MOSFET的漏源電壓V_{ds_Si}給GaN HEMT的柵源電壓V_{gs_GaN}提供負偏置電壓，因此控制Si MOSFET的通斷即可控制GaN HEMT的通斷。當然，這種結構由於引入了硅基器件，因此對封裝的要求較高，體積也較大。與其他結構GaNFET相比，Cascode GaNFET的結構，電壓等級較高、驅動電壓範圍較寬，但對dv/dt和di/dt敏感，特別是在高頻時，共源電感過大

2GaN FET的產品現狀

目前，生產耗盡型GaN FET的公司主要有美國Cree，其產品主要的參數如表1所示，為推廣耗盡型GaNHEMT的應用，Transphorm公司推出了Cascode結構的GaN FET。從表1可知Cree公司的GaN FET的閾值電壓為負值，充分體現了它在零柵壓下的常通特性。

增強型GaN FET的生產商則相對較多，主要包括中國香港的EPC、加拿大的GaN Systems、日本Panasonic公司等，它們的主要參數見表2。從表2可知，在增強型GaN FET產品中，GaN Systems公司的電壓電流等級較高，但閾值電壓較小；EPC公司的電壓等級較低，驅動電壓範圍最窄，導通損耗較大，但漏極電流等級最多；Panasonic公司的電壓和電流等級最少，閾值電壓最低，但開通較快；Transphorm公司的電壓等級較高，驅動範圍最廣，閾值電壓較高

表3是GaN FET主要的封裝形式，從表可知，增強型GaN FET的封裝結構中貼片式的使用較多，直插式的較少。貼片式的外部引腳寄生效應影響較小，但不利於散熱；直插式則相反，其散熱能力較好，但高頻時往往易受寄生參數影響。

此外，除單體GaN器件，還有集成式GaN模塊產品。目前GaN集成形式最多的是GaN半橋模塊，主要有EPC和GaN Systems在生產。其中EPC2104(100 V，30 A)、GS66508T(650 V，30 A)分別是兩家公司等級最高的GaN半橋模塊產品。

3GaN FET的驅動

3.1 隔離方式

驅動電路位於主電路與控制電路之間，其輸出與主電路有耦合關係，其輸入與控制電路相連。因此，驅動電路往往需要隔離設計。一般的隔離方式主要分為光耦隔離和變壓器隔離。目前，相較於變壓器隔離，GaN FET驅動電路的隔離中用光耦隔離^[9-10]的較多。光耦隔離的參數設計較簡單，但其輸出需要隔離驅動電源。目前，GaN FET驅動電路的分類主要是由分立元件構成的驅動電路和以集成器件為主構成的驅動電路。

3.2 驅動電路的基本要求

增強型GaN FET的低柵源電壓V_GS、低閾值電壓V

(2)抗擾性能。GaN FET的低閾值電壓使其對di/dt、dv/dt和寄生電感極其敏感，若驅動的抗擾性不好，開關頻率的增加不僅使器件損耗增多，嚴重時還會損壞器件。因此，驅動需要較好的抗擾性。一般採取減小共源電感、增加驅動電阻等方法提高驅動抗擾性。

(3)漏源迴路寄生電感小。GaN FET柵極信號的噪聲^[12]和振盪很強，一旦迴路寄生電感過大會導致關斷時出現過電壓和寄生振盪，導致額外的損耗。因此可優化驅動迴路，減小寄生電感。

3.3 分立式GaN FET驅動電路

增強型GaN FET一般的分立式驅動電路如圖7所示。分立式驅動電路由驅動電源V

圖8為GaN FET峰值箝位驅動電路。通過加入二極管-電阻-電容網絡對柵極進行箝位保護^[13]，此箝位電路可以有效抑制開通過程的柵極電壓峰值和漏極電流峰值。其中，R₁和C₁可使器件快速開關並抑制柵極電壓峰值，但在關斷過程會產生負的柵極電壓尖峰；故用D

文獻[14]提出了一種降低反向導通損耗的GaN FET的新型柵驅動電路，如圖9所示。作者在分壓型驅動的基礎上加入了由電阻R₃、電容C₃、P溝道MOSFET自激開關Q

文獻[15]基於Transphorm公司的雙向GaN，設計具有抗dv/dt的雙向GaN FET驅動電路，如圖10所示。數字隔離器具有高共模瞬態抗擾度，可防止高dv/dt的影響；鐵氧體磁珠用來抑制柵極電壓的振盪；緩衝電路放在器件附近可以抑制浪湧電壓。

目前，已有的可變柵極驅動在瞬態期間或之外只能改變每次開關事件的一次單驅動參數，而文獻[16]設計的有源驅動在開關瞬態期間，可激活0.12 Ω~64 Ω間的任意上拉或下拉柵極驅動輸出電阻，且達到6.7 GHz的有效電阻更新率，電路如圖11所示。實驗表明，開環有源柵極驅動能保持低開關損耗，減少過沖、振盪和EMI。

3.4 集成式GaN FET驅動電路

一般的分立式驅動電路分立元件多，電路結構較複雜，導致保護也複雜，從而可靠性變差。因此，實際應用中大多采用集成驅動電路。集成式驅動電路主要由驅動芯片和其他元件組成，如圖12所示。而在GaN FET的集成驅動中，常用的驅動芯片有LM5113^[17-22]、UCC27611^[9，21]、UCC21520^[23]等。

3.4.1 LM5113集成式驅動電路

LM5113是專為驅動同步buck或半橋配置的高端和低端增強型GaN FET而設計的驅動芯片。該芯片採用自舉技術生成高端偏置電壓，並在內部將其箝位在5.2 V，防止柵極電壓超過GaN FET 的最大柵源電壓額定值。

文獻[22]提出了三電平驅動技術，驅動電路如圖13所示。只有當在死區時間，CON為高信號時，下管V_gs變為V_x(V_x

3.4.2 UCC27611集成式驅動電路

UCC27611是單通道高速柵極驅動器，驅動電壓V_REF被內部線性穩壓器精確穩壓至5 V。其具有最低寄生電感的封裝和引腳分配，減少了上升和下降時間並限制了振鈴。文獻[21]採用的集成驅動電路如圖14所示，此電路的迴路面積只有原來的1/30，有效減少了寄生電感，從而減少了對驅動電壓的干擾。

文獻[9]基於UCC17611設計的集成驅動不同於圖14，其設計的電路在驅動橋壁上管時驅動信號先經通用CMOS鎖相環集成電路CD4046，再經光耦數字隔離器Si8610BC後才由UCC27611驅動，而下管驅動信號則不隔離直接經過UCC27611驅動。這種方式可以避免橋壁直通，因為上管的驅動信號經過光耦等元件後，必定與下管驅動信號不同步，有延時。

3.4.3 UCC21520集成式驅動電路

UCC21520是隔離雙通道柵極驅動器，輸出的兩通道驅動信號互補。當PWM信號INA為高電平時，輸出OUTA驅動上管開通；INB為高電平時，輸出OUTB驅動下管，且INA與INB是互補信號。文獻[23]採用UCC21520設計了含有源箝位的GaNFET驅動如圖15所示。由於芯片內部集成有死區電路，所以可通過改變驅動電路中外接電阻R29的阻值來調節死區。磁珠起減緩柵極電路中產生較大電壓振盪的作用；穩壓管用來防止柵源電壓V

4GaN FET的典型應用

4.1 在電機驅動中的應用

眾所周知，在電力工業中60%以上負載是電機。在節能減排的大環境下，電機的驅動變換器向低功耗、高功率密度、高效率發展。為實現這些目標，人們把目光轉向GaN等功率器件，利用GaN FET的特性提高電機驅動變換器的性能。

文獻[1]針對5 kW三相電機，採用了GaN 3×3逆變模塊完成了矩陣變換器的控制，大大減小了系統的損耗和體積。在10 kHz工作時，變換器效率達到96%，功耗低於1 W，體積減少不少於1%。

同樣在5 kW電機驅動中，由於傳統隔離柵極驅動器在高溫下光耦的使用壽命短，因此文獻[24]設計了適於高溫的帶隔離的微波驅動半橋柵極驅動器。此驅動採用PGA26C09DV，使得GaN逆變器工作在1 MHz時，開關損耗恆為0.9 W，效率達到了94%^[11]，且在140°的環境溫度中也能提供足夠的柵極功率。

文獻[25]通過對採用型號為TPH3206LD的GaN FET和型號為IPL60R185P7的Si MOSFET的三相逆變器的性能比較後發現，開關頻率在10 kHz~100 kHz變化時，GaN逆變器的開關損耗佔總損耗的12%~55%、效率在97.8%~96.4%之間；而Si的損耗為36%~77%，10 kHz時效率只有96.9%。可見，GaN逆變器應用到電機驅動中，其性能要優於Si的，也更有潛力。

4.2 在LED驅動中的應用

LED壽命長、效率高、節能等優勢使其越來越受歡迎，但LED是直流供電，因此變換器成為其必不可少的一部分。由於變換器極貼近LED燈，這要求變換器小型化、能在高溫下運行。而小型化需要開關頻率在兆赫茲範圍，因此GaN等新型寬禁帶半導體在LED驅動中有潛在的市場。

Eric等人提出一種小而簡單的模擬磁滯控制谷底開關(準諧振)浮動Buck變換器^[26]，該變換器使用了GaN FET器件。並通過實驗證明，600 V GaN FET在MHz頻率等級的優越開關性能使得變換器尺寸有效減小，從而進一步提高了功率密度，並使20 W的LED在2.5～4.4 MHz時效率達到91.2%。可見，GaN FET在LED驅動應用的前景非常可觀。

4.3 其他應用場合

4.3.1 光伏逆變器

光伏電池板與電網存在電氣連接，逆變器的高頻行為所導致的共模電壓通過光伏板與大地之間的寄生電容，形成共模電流，而共模電流會引起併網電流的畸變，產生電磁干擾，嚴重時會對人的安全產生威脅。因此，需要抑制或消除非隔離型光伏併網系統中的共模電流，基於型號TPH3006PS的GaN雙buck併網逆變器有效解決了這個問題。經實驗證明，其效率達到98.63%^[27]。

4.3.2 POL

隨著負載點技術(Point of Load，POL)在信息通信技術ICT設備中的應用，開關頻率達到30 MHz時，減少寄生阻抗成為GaN基同步DC/DC變換器的最大挑戰

目前，GaN FET在電力電子裝置應用廣泛。研究者主要是利用GaN FET高的開關頻率、低的開關損耗等優勢，通過提高變換器工作頻率減小裝置體積，進而提高裝置效率、降低裝置成本、增加收益。

表4給出了GaN FET變換器在其他方面的應用研究情況。從表中可以看到，GaN FET目前多用在中小功率變換器上，隨著開關頻率的提高，變換器效率降低，但基本在90%及以上。實驗證明，效率的降低與開關損耗機理有關^[29]。當然，除了提高效率，用GaN FET設計的功率1 kW以上的變換器，輸出電壓和電流紋波很小^[30-31]。此外，採用GaN FET並聯技術^[32-34]有可能使其應用到10 kW及以上的大功率場合。可見，GaN FET在變換器的應用前景廣闊。

5結論

通過對GaN FET的器件結構、驅動電路以及應用的研究，可以看出只要解決GaN FET高頻下獨特的柵極振盪問題，就能極大地推動它的發展。一般可從兩方面著手，一是設計性能更好的器件結構；二是設計更合理的驅動電路。雖然GaN FET目前在中小功率場合更有優勢，但未來，隨著對GaN FET性能的不斷改進和提高，更多大功率場合也必然有GaN FET的一席之地。

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作者信息:

伍文俊，蘭雪梅

(西安理工大學 自動化與信息工程學院，陝西 西安710048)

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