「GaN初识-2」GaN功率器件的分类、集成、封装解决方案

上一期「GaN初识」栏目我们从概述与发展方面简单地了解了一下氮化镓，神奇的「氮化镓」。本期我们从三个角度出发：

◎ 氮化镓功率器件：分类和运行

◎ 氮化镓结构的集成

◎ 封装解决方案

01.

GaN功率器件：分类和运行

基于GaN技术的晶体管是属于场效应晶体管(FET)系列的横向结构功率器件，在漏极和源极之间具有电流传导通道。栅极电压调制传导电流。与 FET 器件类似，自然运行处于耗尽模式，因此GaN FET的最简单结构就是一个常开开关。图 1a 所示为耗尽型 GaN FET 的简化结构。通常，栅电极是通过层表面上的肖特基接触制成的。通过向该电极施加相对于源极的负电压，肖特基势垒变得相反极化，使器件进入关断状态。图 1a 着重显示了异质结 (AlGaN/GaN) 中产生的 2DEG。然而，GaN 功率晶体管设计人员开发了典型的关断结构，以使 HEMT 电力电子开关与 SiC 和 Si 基 GaN FET 器件结构相比更具竞争力。

■ 图 1.(a) 常开型 GaN (d 型)：简化结构。(b) 常闭 GaN (e 型)：简化结构。

如图 1b 的简化结构所示（考虑到器件处于关断状态），常关 GaN FET是通过增强结构（e 型）获得的。带正电的（p型）GaN栅极获得e型GaN（这是首个商业化的器件结构布置）。该层生长在 AlGaN 势垒层的顶部。在 VGS = 0 时，p 型层有效地耗尽了二维电子气，实现了常关器件。通过在栅极和源极之间施加适当的正电压（大于阈值电压），2DEG 得以完全恢复。

如果栅极电压低于器件阈值电压，则会出现等效二极管行为，并且可能会发生反向导通。GaN 中的虚拟等效二极管具有比 Si MOSFET 的体二极管更高的压降。它在关断时不会出现反向恢复电荷 Qrr（没有少数载流子参与传导）。

目前，HEMT 器件市场有以下 GaN 功率晶体管系列（图 2）。

■ 图 2.(a) 常开 GaN (d 型)。(b) 常断共源共栅 GaN (d 型)。(c) 直接驱动 GaN (d 型)。(d) 常闭 GaN (e 型)。

图 2a 所示的常开型 GaN 是 HEMT GaN 器件的基本结构。这种结构是在耗尽模式 (d 型)下工作的场效应晶体管。由于结构最简单，它具有最低的 RDSon。GaN FET 在栅极电压 (VGS) 为 0 V 时处于导通状态，而在 VGS 为 -15 V 时处于关断状态。与场效应晶体管一样，如果栅极电压极化能在源极和漏极之间形成传导通道，那么d 型 GaN 器件自然也是双向的。目前，这种结构在市场上并未作为常开状态条件下的单个电源开关，而是用于实现共源共栅结构。

图 2b 中报告的共源共栅结构通过在 GaN 源极上串联一个低电压 (LV) MOSFET，实现了开关常闭。该共源共栅解决方案将 d 型 GaN 技术的开关/传导能力优势和结构简单性与 Si MOSFET 的栅极驱动技术相结合。GaN FET 栅极连接到 MOSFET 源极，以保持 HEMT 器件处于导通状态，而 MOSFET 用于开关瞬态。当 GaN 开关关断、LV Si MOSFET 关断时，就会出现反向共源共栅操作。在这种情况下，对GaN开关施加反向电压；电流流经 LV Si MOSFET 的体二极管和常开 GaN FET 的沟道，压降降低（因为它是天然双向器件）。不过，在死区期间，总体上可获得较低的关断状态反向电压（即 <1V）。共源共栅配置可用于低压应用（<200 V）；但在高压应用（从 650 V 到 1200 V）中，它可以用于更高电流的开关。

共源共栅布置的关键问题与以下几点有关：

• 封装解决方案的复杂性；

• 电源回路中的杂散电感增加；

• MOSFET 体二极管存在反向恢复；

• 由于缺乏对 HEMT 栅极的控制驱动，导致 GaN 开关处于准不受控状态。

图 2c 显示了共源共栅配置的改进布局，称为直接驱动 GaN 功率晶体管。在直接驱动运行中，d 型 GaN 栅极端子没有连接至低压 Si MOSFET 源极。Si MOSFET 用作保护器件，以防止串联击穿（即转换器启动后需要启用栅极信号）。d 型 GaN FET 可通过单极负电压（即 -15 V、0 V）直接驱动。这种直接驱动布置方法的主要优点是能够驱动 d 型 GaN FET，利用其开关特性并避免传统共源共栅实现中的不受控换向。与之前的共源共栅解决方案相比，直接驱动连接增加了杂散电感。此外，可用的两个栅极将器件引脚增加到四个。

当耗尽模式器件修改栅极结构，使阈值电压正向移动以创建导电沟道时，即可实现增强型（e 型）GaN 功率晶体管（图 2d）。开关 HEMT 器件类似于增强型 MOSFET。驱动电路必须提供 0V 至 +6V 的栅极电压。虽然阈值电压 VGSth 较低，在 1-2V 范围内，但死区期间的反向传导具有等效二极管传导机制的特点，导致 比 MOSFET 体二极管具有更高的压降，从而增加了反向传导功率损耗。目前，增强型 GaN 功率晶体管是最常见的氮化镓场效应晶体管器件系列，也是学术界和工业界设计人员为优化性能而主要努力的方向，如前面讨论的高压 GIT 结构（松下公司生产），其开发目的就是为了降低动态 RDSon 的衰减效应。

02.

GaN结构的集成

EPC 于 2014 年在氮化镓市场领域推出了首款单片半桥产品。半桥集成降低了功率环路电感，从而降低了漏极电压峰值。此外，功率器件在电路板布局中的电路空间也大大减少。在同步降压拓扑的 DC-DC 转换器中，使用非对称面积器件来优化高压侧和低压侧器件的优点系数（FOM）。这种单片半桥解决方案是接下来几年将驱动、控制、传感与保护功能集成在功率级中的关键一步。多家 GaN 功率器件制造商已应对这些技术挑战，为市场提供了各种具有功率级和多种功能的集成解决方案，可用于 DC-DC 和 DC-AC 转换器的典型应用。图 3 描述了近年来开发的一些最具吸引力的解决方案。在图 3a 中，描绘了低压半桥单片布局（EPC公司生产的作为功率级的EPC 2152 -80 V、15 A 半桥），其中两个对称 e 型 GaN 晶体管集成了所有驱动电路和具有自举功能的电平转换。所有功率集成电路 (IC)、功率级和信号电路均采用 GaN 技术开发。EPC 的 GaN FET 符号保持了 MOSFET 绘图排列。这种集成半桥可在 DC-DC 转换器中用作单开关脚，也可用于低功率无刷直流 (BLDC) 电机（例如电动自行车应用）的交错布置和逆变器中。

■ 图 3.(a) 集成了驱动器和保护电路的低压开关脚功率级；(b) 集成了 CGD 驱动器和保护电路的高压常闭 e 模式 GaN FET；(c) 高压直接驱动 GaN FET（d 型），来自德州仪器 (TI)；(d) 高压常关型（e型）GaN FET 半桥，采用 SiP 封装，来自意法半导体。

Cambridge GaN Devices (CGD) 提供多种集成电路解决方案（650 V）。图 3b 显示了具有智能传感和保护以及控制器和驱动器功能的单增强模式高压单片 GaN 功率级 ICeGaN™。该集成解决方案的驱动方式与Si MOSFET 相同。ICeGaN™ 可接受 0 至 20V 的输入电压 Vin，并且阈值电压增强至 3V，以实现更好的驱动控制。该应用面向消费类电源的 DC-DC 单开关转换器，例如准谐振反激转换器。德州仪器提供的 LMG341x 系列集成共源共栅解决方案（功率级：600 V；25°C 时 40 A）有直接驱动功能以及驱动器和保护电路。功率集成电路（IC）的原理图如图3c所示。栅极驱动器的一个关键特性是在硬开关瞬态期间控制转换速率。与功能直接驱动解决方案相关的保护电路可以提高集成 GaN 共源共栅器件的可靠性。

意法半导体开发出“MasterGaN”器件，这是一个集成平台（系统级封装，SiP），嵌入了硅技术半桥驱动器和两个开关脚配置的e 型 GaN 晶体管（图 6d）。目前，集成开关脚 MasterGan1 的电压为 600 V，漏极电流为 10 A（25°C）。如图3所示，GaN器件的电路符号仍然不统一；每个制造商都以不同的方式绘制GaN功率晶体管，未来有必要定义一个标准符号。

在该功率领域，GaN晶体管集成突出了单片解决方案，即在单个芯片中排列两个 GIT GaN器件，以获得双向开关，近年来已实现在电压高达 400 V 的保护电源开关和混合继电器中的应用。

片上系统（SoC）电路由于减少了元件数量和功率转换器占用的空间而更具吸引力。未来，基于 HEMT GaN 技术的集成结构的目标是实现由微控制器驱动的单功率IC，具有简单的数字信号、高开关性能和足够的电流密度。

功率模块是获得大电流功率开关的另一个重要目标，以便在大功率应用中与SiC MOSFET 器件竞争。在《Doumergue, P.-L.; Bontemps, S. First 650V 60A GaN Power Module in a Compact, Package》一文中，介绍了采用 SP1 封装的 650 V/60 A GaN 功率模块原型。基本功率级是共源共栅配置（如图 2b 所示）。在功率模块中，实现了一个开关脚，其高压侧和低压侧位置分别并联了两个级联器件。此外，还集成了 RC 缓冲器来控制漏极电压斜率。e型 GaN功率晶体管中大电流器件的功率模块生产与垂直HEMT结构的发展有关，这是未来几年需要考虑的一个问题。

03.

封装解决方案

封装解决方案在减少寄生电感方面起着至关重要的作用，可提高开关频率，避免转换器电路波形出现高频振荡，同时避免漏极电压过冲。低电感封装设计至关重要。合适的封装材料和布局可减少散热并限制电磁干扰（EMI）。GaN FET 的芯片尺寸小于具有同等电流密度和击穿电压特性的 MOSFET，从而可以显着减小封装体积。此外，GaN FET 外壳必须在顶部和底部实现有效的冷却路径。

半桥拓扑结构的接地散热器需要电气绝缘。有关 EPC 制造的低压 e 型 GaN器件的一个示例是芯片级封装 (CSP) 布置。这种封装布局在器件表面有 "可焊条"。所开发的解决方案可直接焊接到印刷电路板（PCB）上。CSP 可显著降低杂散电感。

此外，还可以获得高效冷却。图 4 展示了 CSP 解决方案。图 4a 中描述了可焊条和引脚连接。图 4b 描述了PCB 上的封装组件。最后，在图 4c 中显示了在PCB顶层采用 CSP 布局的半桥电路照片。

■ 图 4. (a) 具有源极、漏极、栅极和基板触点的可焊条的封装描述；(b) PCB 布置上的封装；(c) CSP 封装中具有两个器件的半桥 PCB 顶层图片

在高压方面，一些制造商采用无引线分立扁平封装（DFN），可实现较低杂散电感的高压（高达 1200 V）。对于集成GaN 技术，无引线四方扁平封装（QFN）封装是首选，《Mishra, D.; Arora, V.; Nguyen, L.; Iriguchi, S.; Sada, H.; Clemente, L.; Spencer, S. High Voltage (HV) GaN Technology》一文中进行了一些改进。

随着 GaN 器件在半导体市场的发展，需要开发出能够利用 HEMT 晶体管开关特性优势的封装，其特点是体积小巧，可减少寄生电感，并具有隔离强度能力，以实现需求日益增长的高压开关。此外，封装解决方案还必须在外壳的底部和高侧表现出相应的散热能力。

OK，今天先更新到这里。下期「GaN初识」我们聊聊：

GaN 在电力电子应用中的应用：DC-DC 电源转换器、电机驱动应用、激光雷达应用。

来源：芯TIP

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