《電子技術(shù)應(yīng)用》
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硅基GaN功率器件與驅(qū)動(dòng)集成設(shè)計(jì)
電子技術(shù)應(yīng)用
嚴(yán)張哲1，2，周建軍1，2，孔月嬋1，2
1.南京電子器件研究所；2.固態(tài)微波器件與電路全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
摘要： 為滿(mǎn)足高頻電源模塊的應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)了一款全GaN功率芯片。芯片集成了驅(qū)動(dòng)電路和300 V功率管，有效減少分立式封裝所帶來(lái)的寄生電感，集成化設(shè)計(jì)能夠提升芯片抗噪聲能力和可靠性。芯片在GaN-on-Si工藝平臺(tái)進(jìn)行制備，采用E/D模集成電路設(shè)計(jì)。該芯片的驅(qū)動(dòng)電路在2 MHz開(kāi)關(guān)頻率下輸出信號(hào)上升時(shí)間為4.3 ns、下降時(shí)間為3.4 ns，芯片的功率管在300 V下能夠穩(wěn)定工作。
關(guān)鍵詞： GaN 功率IC 單通道 GaN-on-Si ED模
中圖分類(lèi)號(hào)：TN431.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.256324
中文引用格式： 嚴(yán)張哲，周建軍，孔月嬋. 硅基GaN功率器件與驅(qū)動(dòng)集成設(shè)計(jì)[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用，2025，51(5)：15-20.
英文引用格式： Yan Zhangzhe，Zhou Jianjun，Kong Yuechan. Integrated design of GaN-on-Si power devices and drivers[J]. Application of Electronic Technique，2025，51(5)：15-20.
Integrated design of GaN-on-Si power devices and drivers
Yan Zhangzhe1，2，Zhou Jianjun1，2，Kong Yuechan1，2
1.Nanjing Electronic Devices Institute； 2.National Key Laboratory of Solid-state Microwave Devices and Circuits
Abstract： An all-GaN power chip is designed to meet the application requirements of high-frequency power modules. The chip integrates the driver circuit and 300 V power devices, which effectively reduces the parasitic inductance caused by the discrete package, and the integrated design can improve the chip's noise immunity and reliability. The chip is prepared in GaN-on-Si process platform and adopts E/D mode IC design. The driver circuit of the chip has an output signal rise time of 4.3 ns and a fall time of 3.4 ns at a switching frequency of 2 MHz, and the power devices are able to work stably at 300 V.
Key words : GaN；power IC；single-channel；GaN-on-Si；E/D mode

引言

GaN作為第三代半導(dǎo)體材料，具有帶隙寬和遷移率高的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于射頻和電源領(lǐng)域[1-2]。近年來(lái)，Si電源模塊的工作頻率一般在150 kHz[3]，而搭載GaN功率器件的電源模塊工作頻率已經(jīng)達(dá)到1 MHz[4]，并且具有更高的功率密度和效率，因此GaN功率器件在高效小型化電源領(lǐng)域更有優(yōu)勢(shì)。

處理器的低壓控制信號(hào)無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)功率器件，需要經(jīng)過(guò)專(zhuān)用的驅(qū)動(dòng)電路轉(zhuǎn)化成大電流信號(hào)。目前行業(yè)上主要采用分立的驅(qū)動(dòng)方案，通過(guò)Si驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)GaN功率器件。Si驅(qū)動(dòng)芯片以高壓BCD工藝為主，德州儀器（Texas Instruments，TI）[5]、英飛凌（Infineon）[6]和安森美（Onsemi）[7]等廠(chǎng)商已經(jīng)有相關(guān)產(chǎn)品。Si驅(qū)動(dòng)芯片與GaN功率器件一般采用電路板或者鍵合絲的方式連接，兩者連接處寄生電感較大，當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率較高時(shí)，由寄生引起的柵極振蕩將影響GaN功率器件的正常工作，極大地限制了GaN功率器件的工作頻率和可靠性[8]。針對(duì)上述問(wèn)題，目前有兩套方案：優(yōu)化分立式驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，或者將驅(qū)動(dòng)電路和功率器件集成化設(shè)計(jì)。

分立式的驅(qū)動(dòng)電路優(yōu)化方案分以下兩種：(1)設(shè)計(jì)上加入噪聲抑制、負(fù)反饋或者自適應(yīng)調(diào)節(jié)電路。2019年，美國(guó)安森美推出了專(zhuān)用于驅(qū)動(dòng)GaN的NCP51820[7]，該產(chǎn)品加入了共模噪聲抑制和死區(qū)可調(diào)控的設(shè)計(jì)，提高了抗干擾能力的同時(shí)降低了損耗。(2)對(duì)驅(qū)動(dòng)和功率器件進(jìn)行隔離。思佳訊（Skyworks）的SI8274GB1-IS1[9]片上進(jìn)行電容隔離，具有極強(qiáng)的抗擾度，但是設(shè)計(jì)封裝難度較大，成本較高。

集成化設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)級(jí)集成和單片集成。TI的LMG3422R030[10]將Si驅(qū)動(dòng)芯片和GaN功率器件進(jìn)行SiP系統(tǒng)級(jí)封裝。Navitas推出的單片集成功率芯片NV6115[11]，由于規(guī)避封裝引線(xiàn)和PCB走線(xiàn)帶來(lái)的寄生電感，抗干擾能力有較大提升。東南大學(xué)等高校也在進(jìn)行集成芯片的研發(fā)，但是國(guó)內(nèi)目前仍沒(méi)有出現(xiàn)成熟的商用芯片。

本文在GaN-on-Si工藝平臺(tái)上設(shè)計(jì)了一款單片集成GaN功率芯片，芯片集成300 V功率管和驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)電路中加入了基準(zhǔn)電路和欠壓保護(hù)電路設(shè)計(jì)，開(kāi)關(guān)頻率能達(dá)到2 MHz，驅(qū)動(dòng)輸出上升下降時(shí)間均小于5 ns，滿(mǎn)足電源模塊小型化、高可靠的設(shè)計(jì)要求。


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作者信息：

嚴(yán)張哲1，2，周建軍1，2，孔月嬋1，2

（1.南京電子器件研究所，江蘇 南京210016；

2.固態(tài)微波器件與電路全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京210016）


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