本文檔介紹了GaN功率開關(guān)器件的特性，包括共源共柵結(jié)構(gòu)和工作區(qū)域。 GaN功率開關(guān)器件夠以較低的反向恢復(fù)電荷在三個(gè)象限中工作，與現(xiàn)有的硅技術(shù)相比，具有卓越的性能。
一、Si MOS與GaN FET結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
氮化鎵（GaN）功率開關(guān)器件包括級(jí)聯(lián)配置的常關(guān)低壓（LV）硅（Si）MOSFET和常開高壓GaN高電子遷移率晶體管（HEMT）。【以Tansphorm GaN為例進(jìn)行分析】
以這種配置進(jìn)行封裝，Si MOSFET和GaN HEMT一起充當(dāng)單個(gè)晶體管---GaN開關(guān)管。 GaN開關(guān)器件的柵極和源極由Si MOSFET的柵極和源極提供，而GaN開關(guān)的漏極由GaN HEMT的漏極提供。
在應(yīng)用中，GaN開關(guān)器件的行為類似于帶有低電荷體二極管的超快FET。“體二極管”是MOSFET固有的p-n結(jié)，與MOSFET溝道并聯(lián)。MOSFET關(guān)斷時(shí)，體二極管可以將電流從源極傳導(dǎo)到漏極（MOSFET的反向），并且在應(yīng)用中可以用作續(xù)流二極管。然而，作為雙極型器件，體二極管以其正向?qū)Ｊ酱鎯?chǔ)少數(shù)載流子。尤其是在高壓MOSFET中，在正向?qū)ㄆ陂g會(huì)存儲(chǔ)大量的少數(shù)載流子，這會(huì)導(dǎo)致MOSFET的反向特性變差，例如高反向恢復(fù)電流和長(zhǎng)反向恢復(fù)時(shí)間。相比之下，GaN功率器件由作為主要載流子器件的HV GaN HEMT和在正向傳導(dǎo)期間固有地僅存儲(chǔ)很少的少數(shù)載流子的LV MOSFET組成。因此，GaN功率器件在反向?qū)ㄆ陂g僅存儲(chǔ)少量的少數(shù)載流子，同時(shí)提供與MOSFET相同的反導(dǎo)率。
在不損失高壓體二極管的情況下，GaN具有較低的恢復(fù)電荷和較短的恢復(fù)時(shí)間，表現(xiàn)出巨大的性能優(yōu)勢(shì)。 此外，GaN下降和上升時(shí)間<10 ns運(yùn)行非?？欤虼丝蓪?yīng)用中的開關(guān)損耗降至最低。
二、GaN工作特性
為了更好地理解GaN的工作原理，可以區(qū)分三種工作模式：
1、正向截止（Vgs=0，Vds>0）
a、0<Vds<-Vt
b、0<-Vt,g<Vds
2、正向?qū)ǎ╒gs>Vt,s,Vds>0）
3、反向?qū)ǎ╒ds<0）
a、反向開通（Vgs=0,Vgs>Vt,s）
b、反向截止
其中，Vt,s是LV Si MOSFET的閾值電壓，GaN HEMT的閾值電壓Vt,g<0，漏極電壓VDS，漏極電流ID，并且VGS,g+ VDS,s= 0。
2.1 正向截止
2.1.1 VGS=0, 0 < VDS < -Vt,GaN
在VGS = 0時(shí)，Si MOSFET關(guān)閉，并且沒有電流流過Si MOSFET的溝道或GaN HEMT的溝道（ID = 0）。 當(dāng)VDS <-Vt，GaN和ID?0時(shí)，Si MOSFET的漏極電勢(shì)等于GaN開關(guān)的漏極電勢(shì)，VDS,Si = VDS。 在該工作區(qū)域中，開關(guān)的整個(gè)漏極電壓VDS被Si MOSFET阻擋。
2.1.2 VGS=0, 0 < -Vt,GaN < VDS
隨著VDS的增加，GaN HEMT的柵極電壓相對(duì)于其源極電壓變得越來(lái)越負(fù)，從而逐漸關(guān)閉GaN HEMT。 在VDS = –Vt,GaN時(shí)，GaN HEMT被關(guān)閉。 對(duì)于電壓VDS> –Vt,GaN，GaN HEMT兩端的電壓降為VDS + Vt,GaN，而Vt,GaN <0。
2.2 正向?qū)?/span>
VGS> Vt,Si, ID,VDS > 0
當(dāng)Si MOSFET導(dǎo)通（VGS> Vt,Si）時(shí)，線性區(qū)域中GaN開關(guān)兩端的壓降為
VDS=ID (RDS(on),Si + RDS(on),GaN) （1）
其中RDS（on）,Si和RDS（on）,GaN分別是Si MOSFET和GaN HEMT的導(dǎo)通電阻。
2.3反向?qū)ǎ╒DS<0）
2.3.1 反向開通
2.3.1.1 VDS<0,VGS=0
當(dāng)GaN開關(guān)關(guān)閉（LV Si MOSFET關(guān)閉）并且向GaN開關(guān)施加反向電壓時(shí)，電流流過LV Si MOSFET的體二極管和常開的HV GaN HEMT的溝道。
在此反向?qū)ㄆ陂g，GaN開關(guān)兩端的反向電壓降VSD是Si MOSFET的體二極管電壓降VSD-Si與GaN溝道兩端的導(dǎo)通電壓降之和。 GaN通道兩端的壓降可以描述為電流IF與GaN HEMT的漏源導(dǎo)通電阻RDS（on）的乘積。
VSD = VSD-Si + IF*RDS(on)_GaN （2）
2.3.1.2 VDS < 0, VGS>Vt,Si
如式（2）所示，GaN開關(guān)的反向壓降是電流的函數(shù)，并且高于Si MOSFET的體二極管壓降。 但是，為了提高應(yīng)用性能，可以通過在反向?qū)ㄆ陂g導(dǎo)通低壓Si MOSFET來(lái)減小反向壓降。 通常需要有一定的死去時(shí)間避免直通現(xiàn)象。
通過施加高于GaN開關(guān)的閾值電壓Vt,Si的柵極電壓（此處VGS> 4V），LV Si MOSFET導(dǎo)通，反向電流IF流經(jīng)Si溝道（其溝道電阻RDS（on） ,Si）和GaN通道（帶有RDS（on）,GaN）。 因此，在合理的電流水平下，IF * RDS（on）,Si <VSD-Si，并且GaN開關(guān)兩端的反向電壓降減小為
VSD = IF * (RDS(on),GaN+RDS(on),Si) （3）
2.3.2 反向恢復(fù)特性
為了證明GaN開關(guān)與高壓MOSFET相比具有較小的反向恢復(fù)損耗，可以測(cè)試GaN開關(guān)的反向恢復(fù)。
下圖顯示了可用于該測(cè)試的反向恢復(fù)測(cè)試電路。 它由被測(cè)設(shè)備（DUT），電感器L1和控制開關(guān)Q1組成。
當(dāng)Q1打開時(shí)，測(cè)試開始。隨后，電流流過L1和Q1，DUT IF的反向電流IF = 0。然后關(guān)閉Q1，但電流仍流過L1并產(chǎn)生IF≠0。因此，調(diào)制Q1可以設(shè)置從電感器流到DUT的源極然后是DUT漏極的電流IF。為了觀察建立IF后DUT的反向恢復(fù)，Q1再次關(guān)斷，DUT從反向傳導(dǎo)轉(zhuǎn)換為正向阻塞。
為了更好地了解GaN相對(duì)于現(xiàn)有硅技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)對(duì)600V Transphorm GaN開關(guān)和具有類似導(dǎo)通電阻的600V CFD2型（低Qrr設(shè)計(jì)）CoolMOS Si MOSFET進(jìn)行了反向恢復(fù)測(cè)試。下圖分別顯示了GaN開關(guān)和MOSFET的反向關(guān)斷波形。兩個(gè)DUT均在初始電流IF = 9A和反向偏置電壓VDD = 400V時(shí)進(jìn)行了測(cè)試。雖然Transphorm GaN開關(guān)在450A / us且?guī)缀鯖]有振鈴的情況下進(jìn)行了測(cè)試，但CoolMOS在450A / us時(shí)并不穩(wěn)定。因此，其關(guān)閉di / dt降低至100A / us以保持穩(wěn)定性。 （進(jìn)一步的測(cè)試表明，在不同的di / dt從100 A / us到480 A / us的情況下，GaN開關(guān)的Qrr保持不變，因此可以對(duì)這兩個(gè)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較。）
圖中的測(cè)試波形分別顯示了GaN開關(guān)和低Qrr MOSFET的DUT恢復(fù)電荷Qrr為40 nC和1000 nC。GaN開關(guān)的Qrr極低，比快速恢復(fù)設(shè)計(jì)CoolMOS的Qrr小25倍。
Reverse turn-off of CoolMOS, 9A, 400V, 100A/us; Qrr = 1000nC
Reverse turn-off of Transphorm GaN device, 9A, 400V, 450A/us; Qrr = 40nC
為了進(jìn)一步分析GaN開關(guān)的反向恢復(fù)電荷，可以將反向恢復(fù)電荷分為兩個(gè)部分：第一，GaN HEMT的電容性電荷，第二，低壓Si MOSFET的反向恢復(fù)電荷。
在IF = 0A時(shí)，Si MOSFET的反向恢復(fù)為零，因此，觀察到的任何電流只能來(lái)自于開關(guān)電容QC的放電。 圖7.1和圖7.2顯示了在Q1的不同開關(guān)速度下IF = 0A的測(cè)量結(jié)果。 可以觀察到Qc?35nC，約占總Qrr的86％。 換句話說，少數(shù)充電組成僅占整個(gè)Qrr的14％。
di = 2.6A, dt = 26.9ns, QC = 35.6nC
di = 1.25A, dt = 55.2ns, QC = 34.5nC
三、總結(jié)
GaN開關(guān)具有三種工作模式，包括正向截止，正向?qū)ê头聪驅(qū)?。與Si MOSFET相比，它們的開關(guān)速度非?？?，具有出色的反向關(guān)斷特性。這些特性使GaN器件特別適合于硬開關(guān)無(wú)二極管橋應(yīng)用，例如電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器，PV逆變器，圖騰柱PFC以及其他相關(guān)應(yīng)用。