GaN 栅极驱动考虑因素 - 引言
氮化镓 (
GaN) 半导体是高电子迁移率晶体管 (HEMT) 器件,这是一类具有近乎完美开关特性的晶体管。HEMT 意味着电子以二维电子气形式和极高的电子迁移率在内部晶体结构中运动,进而产生导电性极高、RSDON 较低的器件。GaN 化学物质的使用增大了击穿电压,这意味着晶体管内的各个层可以做得非常薄且紧密。这既能加快开关速度,又能减少栅极电容。
增强型 (E-HEMT) 晶体管在栅极下有一个耗尽层,该层会阻止电子流动,并且需要相对于源极引脚的正栅极电压才能导通。由于栅极下的耗尽层非常薄,只需注入非常少的电荷就可以使晶体管导通和关断,因此在不产生高开关损耗的情况下,开关速度可以达到 MHz 频率级别。
图 1:增强型 GaN 晶体管在“关断”和“导通”状态下的示意图
极薄的栅极隔离层意味着高栅极-源极电压将导致内部闪络,即使材料本身具有很高的击穿电压额定值也会如此。GaN E-HEMT 的典型全增强电压为 7 V,但是,如果 VGS 超过 ±10 V(远低于
IGBT 或 SiC 栅极驱动器中通常使用的栅极电压),则会造成损坏。由于低电容栅极沟道的上升和下降时间极快,因此外部栅极驱动中任何过大电感都可能导致电压尖峰或电压振铃,进而超过这些电压限值。因此,6V 栅极驱动电压是一种良好的折中,既能保持高效率,又能处于安全工作区域内。
IGBT 或 SiC 栅极驱动电路通常也在负栅极驱动电压下关断。这有助于加快从栅极电容中提取电荷的速度,从而缩短了关断时间。GaN 晶体管的栅极电容低到不需要负栅极驱动电压。OV 的栅极电压可在几纳秒内可靠地完全关断 HEMT。只有在布局中包含过大电感时,负栅极驱动才能提供保护,防止由于振铃引起的意外导通。但是,由于 HEMT 没有像 MOSFET 那样的体二极管,而且是对称导电器件,因此负栅极电压会增加反向导通损耗。单端 6 V - 0 V 的栅极驱动电压是理想选择。
图 2 显示了常用的典型栅极驱动器电压。第一代 SiC MOSFET 使用 +20/-5 V 电源电压,但第二代器件最有可能使用 +15/-3 V 电源电压:
图 2:IGBT、SiC 和 GaN 驱动器的典型栅极驱动器电源电压