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(yōu)于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材料制成的功率器件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(yōu)越的特性與其器件結(jié)構(gòu)有極大的關系。但是它的缺點也不可忽視，在高頻應用場合表現(xiàn)極為明顯，比如其對寄生參數(shù)極其敏感，高頻使用時極易使柵極電壓產(chǎn)生振蕩，引起柵極過電壓，導致器件工作不穩(wěn)定，甚至不安全。因此相較于傳統(tǒng)的Si基半導體器件的驅(qū)動電路，GaN FET的驅(qū)動要求更為嚴苛。GaN FET的進步、應用的發(fā)展與其器件結(jié)構(gòu)和驅(qū)動電路有密不可分的聯(lián)系，因此，其器件結(jié)構(gòu)和驅(qū)動電路的研究很有意義。本文將對當前國內(nèi)外GaN FET的器件結(jié)構(gòu)、驅(qū)動電路及其在電機驅(qū)動、LED驅(qū)動、光伏逆變器、POL等場合中的應用進行綜述。

1 GaN FET的器件結(jié)構(gòu)及工作原理

    GaN FET器件的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)如圖1所示。耗盡型GaN FET采用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沖層(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(chǎn)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，然后達到飽和。

    與Si傳統(tǒng)器件不同，耗盡型GaN FET由于氮化物極強的極化效應，AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)可以通過自發(fā)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，器件處于導通狀態(tài)。因此往往需要負壓關斷。耗盡型GaN FET不同于Si MOSFET的是，由于其柵極下方不存在與S極連接的P型寄生雙極性區(qū)，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(qū)動。

1.2 增強型GaN FET

    對于耗盡型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(qū)動設計的復雜性，而且易發(fā)生誤導通，有直通的潛在威脅，使電路穩(wěn)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，減小了電路復雜性，穩(wěn)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(jié)構(gòu)的基礎上改進而成。目前主要的增強型GaN FET結(jié)構(gòu)方案包括：P型柵、凹槽柵、Cascode結(jié)構(gòu)等。

1.2.1 P型柵結(jié)構(gòu)

    有很多學者研究P型柵結(jié)構(gòu)的GaN FET，如圖2所示^[1-2]。與耗盡型不同的是，P型柵結(jié)構(gòu)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層可以拉升AlGaN勢壘層的能帶，起到耗盡2DEG的作用，以實現(xiàn)常斷特性。當施加足夠的正V_GS時，使柵源電壓大于閾值電壓，P-GaN層的內(nèi)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的降低且小于閾值電壓，溝道又逐漸關閉，GaNFET器件關斷。因此，這種結(jié)構(gòu)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(xiàn)對GaNFET器件的通斷控制。

    文獻[3]在P型柵結(jié)構(gòu)的基礎上，采用在P-GaN層上沉積TiN金屬，形成三層掩膜的柵極結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)肖特基接觸，如圖3所示。這種結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(yōu)勢，且相比采用歐姆接觸的P-GaN結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)降低了柵極漏電流。

1.2.2 凹槽柵結(jié)構(gòu)

    凹槽柵^[4]結(jié)構(gòu)如圖4所示，此結(jié)構(gòu)通過電感耦合等離子體(Inductively Couple Plasma，ICP)干法刻蝕技術刻蝕掉柵極下方區(qū)域一定厚度的AlGaN勢壘層，當AlGaN勢壘層厚度減薄到一定程度時，溝道內(nèi)的2DEG濃度會足夠低^[5]。凹型柵極下方的整個AlGaN勢壘層被去除，柵極下的2DEG消失，柵極金屬下沉積了Al2O3膜作為柵極電介質(zhì)，可防止由于器件尺寸越來越小而引發(fā)嚴重柵極漏電流、擊穿電壓過低等問題。在零柵壓下，2DEG濃度小到可以忽略，器件處于關斷狀態(tài)。只有施加正柵壓后，導電通道才會恢復，實現(xiàn)器件導通，即實現(xiàn)增強型特性。但除去柵極下方的勢壘層，AlGaN勢壘層其他區(qū)域的未被減薄，2DEG濃度保持原有水平。因此，凹槽柵技術制成的GaN FET在飽和電流和跨導方面較有優(yōu)勢。

1.2.3 Cascode結(jié)構(gòu)

    Cascode結(jié)構(gòu)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(lián)構(gòu)成的，如圖5所示。

    從結(jié)構(gòu)可知，當器件不加柵壓且漏源電壓大于零時，工作在正向阻斷模態(tài)；當柵壓大于Si MOSFET的閾值電壓時，器件正向?qū)ǎ灰坏㏒i MOSFET反向?qū)?，器件將工作在反向?qū)B(tài)。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(jié)構(gòu)由于引入了硅基器件，因此對封裝的要求較高，體積也較大。

    與其他結(jié)構(gòu)GaNFET相比，Cascode GaNFET的結(jié)構(gòu)，電壓等級較高、驅(qū)動電壓范圍較寬，但對dv/dt和di/dt敏感，特別是在高頻時，共源電感過大^[6]可能會使器件損壞。Andrew等人通過將智能柵極驅(qū)動與Si MOSFET集成，驅(qū)動耗盡型GaN HEMT，形成智能Cascade GaNFET，如圖6所示。該智能Cascade GaNFET內(nèi)置電流檢測、可調(diào)輸出電阻、可調(diào)電流檢測率和智能數(shù)字控制^[7]。實驗表明，此改進的Cascode結(jié)構(gòu)通過利用動態(tài)開關技術，可以減少柵極振蕩、降低高電壓和電流轉(zhuǎn)換速率、解決dv/dt和di/dt問題，優(yōu)化EMI。

2 GaN FET的產(chǎn)品現(xiàn)狀

    目前，生產(chǎn)耗盡型GaN FET的公司主要有美國Cree，其產(chǎn)品主要的參數(shù)如表1所示，為推廣耗盡型GaNHEMT的應用，Transphorm公司推出了Cascode結(jié)構(gòu)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(xiàn)了它在零柵壓下的常通特性。

    增強型GaN FET的生產(chǎn)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(shù)見表2。從表2可知，在增強型GaN FET產(chǎn)品中，GaN Systems公司的電壓電流等級較高，但閾值電壓較?。籈PC公司的電壓等級較低，驅(qū)動電壓范圍最窄，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(qū)動范圍最廣，閾值電壓較高^[8]，使用較安全。

    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(jié)構(gòu)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，但不利于散熱；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(shù)影響。

    此外，除單體GaN器件，還有集成式GaN模塊產(chǎn)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(chǎn)。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(chǎn)品。

3 GaN FET的驅(qū)動

3.1 隔離方式

    驅(qū)動電路位于主電路與控制電路之間，其輸出與主電路有耦合關系，其輸入與控制電路相連。因此，驅(qū)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，相較于變壓器隔離，GaN FET驅(qū)動電路的隔離中用光耦隔離^[9-10]的較多。光耦隔離的參數(shù)設計較簡單，但其輸出需要隔離驅(qū)動電源。目前，GaN FET驅(qū)動電路的分類主要是由分立元件構(gòu)成的驅(qū)動電路和以集成器件為主構(gòu)成的驅(qū)動電路。

3.2 驅(qū)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_TH以及寄生參數(shù)等影響,使得傳統(tǒng)的Si驅(qū)動電路不再適用于GaN，GaNFET的驅(qū)動要求更為嚴格，其驅(qū)動電路至少具備以下三個功能：

    (1)驅(qū)動信號可靠性。驅(qū)動信號的可靠性對于驅(qū)動電路來說是很重要的，驅(qū)動信號一旦不穩(wěn)定極有可能損壞GaN器件。因此，一定要保證驅(qū)動信號可靠傳輸。一般在通信系統(tǒng)中或使用頻率在兆赫茲等級以上時，常用微波驅(qū)動(Drive-by-Mcrowave，DBM)技術來傳輸驅(qū)動信號^[11]。

    (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(qū)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(qū)動需要較好的抗擾性。一般采取減小共源電感、增加驅(qū)動電阻等方法提高驅(qū)動抗擾性。

    (3)漏源回路寄生電感小。GaN FET柵極信號的噪聲^[12]和振蕩很強，一旦回路寄生電感過大會導致關斷時出現(xiàn)過電壓和寄生振蕩，導致額外的損耗。因此可優(yōu)化驅(qū)動回路，減小寄生電感。

3.3 分立式GaN FET驅(qū)動電路

    增強型GaN FET一般的分立式驅(qū)動電路如圖7所示。分立式驅(qū)動電路由驅(qū)動電源V_CC、PWM信號、隔離和柵極電阻R_G等基本部分組成。前面幾部分主要是給GaN FET提供驅(qū)動電壓V_GS。

    圖8為GaN FET峰值箝位驅(qū)動電路。通過加入二極管-電阻-電容網(wǎng)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可使器件快速開關并抑制柵極電壓峰值，但在關斷過程會產(chǎn)生負的柵極電壓尖峰；故用D₁、R₃支路提高關斷時C₁的放電速率，且R₃越大，C₁放電越快。

    文獻[14]提出了一種降低反向?qū)〒p耗的GaN FET的新型柵驅(qū)動電路，如圖9所示。作者在分壓型驅(qū)動的基礎上加入了由電阻R₃、電容C₃、P溝道MOSFET自激開關Q₁和二極管D_g組成的電路，如圖9虛線部分所示。其中，C₃、R₃的值要比C₂、R₂的值大得多，因此，C₂比C₃充放電快得多。關斷時，未改進前的分壓驅(qū)動中，分壓電容C₂存儲的電荷會產(chǎn)生高負V_GS使反向?qū)〒p耗增加。改進后，加入的虛線部分電路可使C₂放電，使V_GS幾乎降為零。另外，V_GS受二極管D_g的正向壓降限制。因此，該驅(qū)動設計有效減少了器件反向特性引起的損耗。

    文獻[15]基于Transphorm公司的雙向GaN，設計具有抗dv/dt的雙向GaN FET驅(qū)動電路，如圖10所示。數(shù)字隔離器具有高共模瞬態(tài)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蕩；緩沖電路放在器件附近可以抑制浪涌電壓。

    目前，已有的可變柵極驅(qū)動在瞬態(tài)期間或之外只能改變每次開關事件的一次單驅(qū)動參數(shù)，而文獻[16]設計的有源驅(qū)動在開關瞬態(tài)期間，可激活0.12 Ω~64 Ω間的任意上拉或下拉柵極驅(qū)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(huán)有源柵極驅(qū)動能保持低開關損耗，減少過沖、振蕩和EMI。

3.4 集成式GaN FET驅(qū)動電路

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

3.4.1 LM5113集成式驅(qū)動電路

    LM5113是專為驅(qū)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(qū)動芯片。該芯片采用自舉技術生成高端偏置電壓，并在內(nèi)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(qū)動技術，驅(qū)動電路如圖13所示。只有當在死區(qū)時間，CON為高信號時，下管V_gs變?yōu)閂_x(V_x<V_th)。理論上，當V_x接近V_th時，反向?qū)▔航禐?。實驗證明，與兩電平驅(qū)動相比，該驅(qū)動使GaN FET反向?qū)▔航档玫接行Ы档停瑥亩岣吡俗儞Q器的效率。

3.4.2 UCC27611集成式驅(qū)動電路

    UCC27611是單通道高速柵極驅(qū)動器，驅(qū)動電壓V_REF被內(nèi)部線性穩(wěn)壓器精確穩(wěn)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并限制了振鈴。文獻[21]采用的集成驅(qū)動電路如圖14所示，此電路的回路面積只有原來的1/30，有效減少了寄生電感，從而減少了對驅(qū)動電壓的干擾。

    文獻[9]基于UCC17611設計的集成驅(qū)動不同于圖14，其設計的電路在驅(qū)動橋壁上管時驅(qū)動信號先經(jīng)通用CMOS鎖相環(huán)集成電路CD4046，再經(jīng)光耦數(shù)字隔離器Si8610BC后才由UCC27611驅(qū)動，而下管驅(qū)動信號則不隔離直接經(jīng)過UCC27611驅(qū)動。這種方式可以避免橋壁直通，因為上管的驅(qū)動信號經(jīng)過光耦等元件后，必定與下管驅(qū)動信號不同步，有延時。 

3.4.3 UCC21520集成式驅(qū)動電路

    UCC21520是隔離雙通道柵極驅(qū)動器，輸出的兩通道驅(qū)動信號互補。當PWM信號INA為高電平時，輸出OUTA驅(qū)動上管開通；INB為高電平時，輸出OUTB驅(qū)動下管，且INA與INB是互補信號。文獻[23]采用UCC21520設計了含有源箝位的GaNFET驅(qū)動如圖15所示。由于芯片內(nèi)部集成有死區(qū)電路，所以可通過改變驅(qū)動電路中外接電阻R29的阻值來調(diào)節(jié)死區(qū)。磁珠起減緩柵極電路中產(chǎn)生較大電壓振蕩的作用；穩(wěn)壓管用來防止柵源電壓V_GS波動太大使開關損壞；箝位三極管V₆可抑制干擾導致誤開通的現(xiàn)象?？梢?，該集成驅(qū)動電路的抗擾性較好。

4 GaN FET的典型應用

4.1 在電機驅(qū)動中的應用

    眾所周知，在電力工業(yè)中60%以上負載是電機。在節(jié)能減排的大環(huán)境下，電機的驅(qū)動變換器向低功耗、高功率密度、高效率發(fā)展。為實現(xiàn)這些目標，人們把目光轉(zhuǎn)向GaN等功率器件，利用GaN FET的特性提高電機驅(qū)動變換器的性能。

    文獻[1]針對5 kW三相電機，采用了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(tǒng)的損耗和體積。在10 kHz工作時，變換器效率達到96%，功耗低于1 W，體積減少不少于1%。 

    同樣在5 kW電機驅(qū)動中，由于傳統(tǒng)隔離柵極驅(qū)動器在高溫下光耦的使用壽命短，因此文獻[24]設計了適于高溫的帶隔離的微波驅(qū)動半橋柵極驅(qū)動器。此驅(qū)動采用PGA26C09DV，使得GaN逆變器工作在1 MHz時，開關損耗恒為0.9 W，效率達到了94%^[11]，且在140°的環(huán)境溫度中也能提供足夠的柵極功率。

    文獻[25]通過對采用型號為TPH3206LD的GaN FET和型號為IPL60R185P7的Si MOSFET的三相逆變器的性能比較后發(fā)現(xiàn)，開關頻率在10 kHz~100 kHz變化時，GaN逆變器的開關損耗占總損耗的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(qū)動中，其性能要優(yōu)于Si的，也更有潛力。

4.2 在LED驅(qū)動中的應用

    LED壽命長、效率高、節(jié)能等優(yōu)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。由于變換器極貼近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范圍，因此GaN等新型寬禁帶半導體在LED驅(qū)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。并通過實驗證明，600 V GaN FET在MHz頻率等級的優(yōu)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，并使20 W的LED在2.5～4.4 MHz時效率達到91.2%。可見，GaN FET在LED驅(qū)動應用的前景非?？捎^。

4.3 其他應用場合

4.3.1 光伏逆變器

    光伏電池板與電網(wǎng)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，而共模電流會引起并網(wǎng)電流的畸變，產(chǎn)生電磁干擾，嚴重時會對人的安全產(chǎn)生威脅。因此，需要抑制或消除非隔離型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中的共模電流，基于型號TPH3006PS的GaN雙buck并網(wǎng)逆變器有效解決了這個問題。經(jīng)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(zhàn)^[28]。Akagi等人通過設計柵極驅(qū)動IC并在上面加入3D堆疊電源SoC(Stacked-on-Chip)，使變換器在30 MHz下最大效率達到了59%，優(yōu)化后最高效率預計為85%?？梢姡吞枮镋PC8002的GaN FET在高頻上頗有優(yōu)勢。

    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(yōu)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，采用GaN FET并聯(lián)技術^[32-34]有可能使其應用到10 kW及以上的大功率場合?？梢?，GaN FET在變換器的應用前景廣闊。

5 結(jié)論

    通過對GaN FET的器件結(jié)構(gòu)、驅(qū)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蕩問題，就能極大地推動它的發(fā)展。一般可從兩方面著手，一是設計性能更好的器件結(jié)構(gòu)；二是設計更合理的驅(qū)動電路。雖然GaN FET目前在中小功率場合更有優(yōu)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，陜西 西安710048)