在过去的十年中，行业专家和分析师一直预测基于氮化镓(GaN)的功率开关器件的黄金时代即将到来。与广泛使用的MOSFET硅功率器件相比，GaN基功率器件具有更高的效率和更强的功耗处理能力。这些优势正是目前大功率、高密度的系统、服务器、计算机所需要的。可以说，专家预测的拐点已经到来！
如今，许多制造商正在生产大量的GaN器件，这些GaN器件正在应用于工业、商业甚至要求极其苛刻的汽车领域中的电源和电机控制。他们的接受度和可信度都在逐渐提高。(请注意，GaN基射频功率放大器或功率放大器也取得了很大的成功，但它与GaN器件有不同的应用，不在本文讨论范围之内。讨论了GaN器件的潜力，GaN与MOSFET器件的区别，GaN驱动器件成功的关键，介绍了降低栅极驱动环耦合噪声的技术。
为什么要开发GaN器件？
硅基MOSFET器件已经取得了巨大的成功。目前，它们已经成为功率从几十瓦到几百瓦甚至几千瓦的应用中的标准，如交流/DC、DC/DC和电机驱动。硅MOSFET器件已经针对许多参数进行了优化，例如开关电阻RDS(ON)、额定电压、开关速度、封装等。这些MOSFET的性能提升已经趋于稳定，因为目前的性能已经接近物理材料的理论极限。
这为GaN功率器件的发展创造了条件。如图1所示，GaN是高电子迁移率晶体管(HEMT)。高电子迁移率晶体管意味着GaN器件的临界电场强度大于硅。对于相同的片上电阻和击穿电压，GaN的尺寸更小。GaN还具有极快的开关速度和出色的反向恢复性能，这在低损耗和高效率的应用中非常重要。600/650V级GaN晶体管已被广泛使用，具有广阔的应用前景。
图1 GaN器件建立在硅衬底上，具有二维横向电子沟道(2DEG)和AlGaN/GaN异位外延结构，提供极高的电荷密度和迁移率。当栅极电压为零时(左图)，晶体管关断，当栅极电压超过阈值电压时(中图和右图)，晶体管导通。(来源：GaN Systems)
GaN器件分为两种类型：
耗尽模式：耗尽模式GaN晶体管通常是导通的，因此必须在源极和漏极之间施加负电压才能将其关断。
增强模式：增强模式GaN晶体管通常是关断的，并且必须在源极和漏极之间施加正电压以使其导通。
这两种类型的区别不仅在于它们不同的操作模式。对于耗尽型器件，需要解决应用中的启动问题。启动时，必须施加负电压来关断器件，以避免启动过程中的短路电流。相反，增强型器件是常关的，当栅极上没有偏置电压时，源漏之间不会有电流流动，这是一个理想的启动状态。为了解决耗尽型GaN器件的这一缺点，通常将其封装在低电压的硅MOSFET的级联结构中，从而避免了这种情况。
和GaN MOSFET
GaN MOSFET器件之间存在差异和相似之处。让让我们先来看看它们的相似之处。虽然GaN的参数值与MOSFET的参数值不同(这也是GaN吸引人的原因)，但很多术语是相同的。比如都是有源，漏极和栅极，关键参数是导通电阻和击穿电压。
当然，它们的相似之处远远不止这些表面的内容。MOSFET和增强型GaN通常都是关断的，它们是电压驱动的(而不是电流驱动的)，并且具有输入电容，这些电容必须由驱动电路来充电和放电。电荷波形和转化率是影响其性能的重要因素。
此外，它们之间也有很大的差异。除了明显的半导体材料和工艺，还有许多显著的差异。首先，GaN的导通电阻非常低，显著降低了静态功耗，提高了效率。此外，GaN FET的结构使其输入电容非常低，提高了开关速度。GaN器件的电压可以在纳秒级上升到几百伏，可以支持几MHz频率的大电流转换。(最新一代的器件可以用几百MHz)。这意味着GaN具有更高的效率，并且可以使用更少的电磁和无源元件。
代表性的GaN器件是GaN Systems的GS66516B——650V增强型GaN功率晶体管，它具有高电流、高击穿电压和高开关频率(图2)。晶体管有六个引脚，底部有散热，如图3所示。封装尺寸仅为11 9mm，具有极低的封装热阻。导通电阻仅为25m，最大漏源电流10A，开关频率超过10MHz。
图2:GaN系统的GS66516B 650V增强型GaN晶体管，有6个管脚，电流增加2倍，杂散电感更小。(来源：GaN Systems)
图Gan Systems的GS66516B封装尺寸为11x9mm，底部呈扇形，可以达到最佳的扇形效果。(来源：GaN Systems)
是甘成功的关键。
无论是GaN还是MOSFET，一个可靠合适的驱动器是器件稳定工作的关键。简单来说，驱动电路就是低压小电流MCU数字接口与高压大电流高速功耗器件之间的电路。
当然，司机的作用远不止于此。驱动器必须能够以足够高的速度对栅极上的电容充电，以导通晶体管，而不会导致振铃和过冲。在关断模式下，它必须能够使栅极电容快速放电，而不会振铃或过冲。它必须始终如一地做到这一点，并保持适当的时钟倾斜，以避免直通短路。
决定GaN驱动器件的主要参数有三个：最大栅极电压、栅极阈值电压和体二极管压降。增强型GaN器件的栅源电压为6V，约为MOSFET的一半，这简化了产生所需开关电压和电流的挑战。栅极电压也低于大多数功率MOSFET，并且具有更低的负温度系数，这也简化了驱动补偿的问题。体二极管的直接电压降是器件结构的固有特性，GaN器件的电压高于等效硅MOSFET的电压。
通过一些数字对比，可以更清楚的看到GaN和MOSFET的区别。
GaN MOSFET的开关速度比硅MOSFET快，dV/dt的转换率大于100V/nsec。对于具有相同RDS(ON)额定值的MOSFET和GaN，GaN的导通时间比MOSFET快4倍，关断时间快2倍。虽然越早越好，但也给驱动电路带来了新的挑战。米勒效应还会影响晶体管的开关速度和波形(还记得半导体器件物理中的米勒效应吗)。对于RDS(ON)相同的GaN和MOSFET，GaN的米勒电荷更少，所以GaN可以更快地导通/关断，这是一个优势。
但是，在转换过程中，高速可能会导致桥上的设备组被击穿，从而对效率产生不利影响。因此，需要控制栅极驱动的上拉电阻，以在不改变其他特性的情况下最小化传输时间，这也提供了避免过冲和振铃的方法。这可以避免开/关故障，同时减少EMI的产生。虽然分析变得非常复杂(图4和图5)，但对于低阈值电压的GaN器件，最简单的解决方案是分离驱动栅极的上升电阻和下拉电阻，并在必要时插入一个分立电阻(图6)。
图4需要开启的GaN的场景模型。(来源：GaN Systems)
图5需要关闭的GaN的场景模型。(来源：GaN Systems)
图6:利用独立的栅极驱动电阻实现导通和关断，可以在每一级获得优化的性能，同时改善振铃和过冲等不良特性。(来源：GaN Systems)
简而言之，一个不起眼的无源电阻(或电阻对)成为成功驱动的关键因素，平衡相关参数。合适的栅极通断电阻可以使性能优越，驱动稳定，建议使用独立的栅极驱动电阻。
为了控制米勒效应的影响，这个电阻一般控制在5-10之间。如果导通栅极电阻过大(例如10至20)，导通dV/dt速度会降低，导致开关速度变慢。如果转换速度太慢，会出现开关损耗，但这次是米勒效应和潜在的栅极振荡造成的。关断时需要尽快拉下栅极，所以栅极电阻通常为1和2 。
许多制造商都提供了栅极驱动芯片，这些芯片非常有价值，允许用户调整所选的GaN器件、转换速度和其他因素。在这些驱动芯片中，TI的LMG1205可用于增强型GaN FET。它可以在同步降压、升压或半桥配置中驱动晶体管的高端或低端。它为高端和低端提供独立的输入，以获得最大的控制灵活性；峰值电流为1.2A，峰值压降电流为5A，以防止转换期间不必要的导通。输出灵活性强，通断电流可独立调节。
图Tilmg1205栅极驱动器的许多特性适用于GaN。(来源：TI)
输入电压与TTL电平兼容，最大输入电压可高达14V，与VDD供电轨电压无关。同时，在高端/低端应用中，低传播延迟和轨到轨时钟倾斜对效率也至关重要。LMG1205的典型传播延迟为35ns，传播匹配延迟为1.5ns。
其他可以用GaN驱动的芯片还有Silicon Labs的Si827x系列，ADI的ADuM4223A/B系列，Maxim的max 5048c，TI的LM5113。另外，现有的一些已经广泛使用的MOSFET驱动芯片也可以用在一些低频的GaN器件中。
成功来自不止一条赛道。
每一个有高速电路设计经验的工程师都知道，电路和系统的优化只是系统成功的一部分。在GaN器件和电路中，控制和最小化从电源到栅极驱动电路的噪声耦合非常重要。高dV/dt和di/dt，加上低输入电容和阈值，很容易导致严重的噪声。米勒效应可能导致栅极振铃或连续振荡。这样一来，晶体管就会不正确地导通或关断，整个系统就会失灵。
在许多可能的原因中，栅极振荡通常是由反馈路径的杂散电感、从电源到栅极回路的杂散电感或栅极和漏极之间的米勒效应电容耦合引起的。通常，多层方法被用来解决这些问题。
该技术包括通过布局减少杂散电感；通过驱动栅极尽可能靠近GaN器件栅极来降低外部栅极和漏极之间的耦合；采用低电感、宽PCB布线；使用开尔文源连接以最小化共源电感；甚至扩展到使用电绝缘电源轨。其他方法包括调整栅极驱动电阻值以微调开关转换率；负偏压(-3V)关断；增加与栅极串联的铁氧体磁珠，以减少高频LC振铃和过冲；而RC 缓冲区可以添加在栅极-源极路径上。
结论
GaN基开关器件已经真正成熟。目前拥有完善的生态系统，包括建模和仿真工具、必要的驱动芯片、应用支持和现场应用经验，并拥有众多知名供应商和初创企业，这些GaN器件的性能在目前和可预见的未来都远远超过MOSFET。但GaN器件的高速也意味着在使用时需要更加合理和细致的设计，比如其栅极驱动、电压电流转换率、电流水平、噪声源、耦合布局对导通和关断的影响。
标签：GaN器件栅极