來源：硬蛋攻城獅

1 簡述

GaN器件當前被稱作HEMT(高電子遷移率晶體管)，此類高電子遷移率的晶體管應用于諸多電子設備中，如全控型電力開關、高頻放大器或振蕩器。與傳統的硅金屬氧化物半導體場效應晶體管 (MOSFET) 相比，氮化鎵 (GaN) 可提高功率密度和效率，GaN 和 SiC 均具有寬帶隙，但它們之間存在根本差異，因此分別適合特定的拓撲和應用。

GaN HEMT的工作原理是：當柵極電壓變化時，會在GaN溝道層形成一個電子氣，這個電子氣會隨著柵極電壓的變化而移動，形成一個電流。由于GaN材料的高電子遷移率和高飽和電流密度，GaN HEMT具有更高的開關速度和功率密度。

2 GAN類型

基于GaN的HEMT市面上主要有兩種，一種是基于溝道技術的增強型HEMT(e-HEMT)，另一種是級聯型HEMT(Cascode HEMT)。相比級聯型HEMT，增強型HEMT擁有更低的EMI，無反向恢復損耗，且擁有正的溫度特性從而更容易并聯使用。下圖展示了級聯型HEMT結構。

3 參數

3.1可以通過改變RG控制開關速，

VGSth典型值為1.5V;VG最大額定值為-20/+10V;

若柵極和源極之間電壓小于開啟電壓，加正壓無正向電流，加反壓有反向電流但反向壓降較大。

3.2 與SI參數對比

3.3 反向導通特性

DS之間的導通是通過中間的電子層，所以可以雙向導通，即常開。

3.4 E-GAN無體二極管

GAN體內沒有寄生二極管即非常小的Trr，在續流方面有很大優勢，無反向恢復，Qrr=0，沒有PN結。由于 SiC FET 結構中存在體二極管， 所以它會出現反向恢復損耗。典型的 SiC FET 有大于 85nC 的反向恢復電荷。

3.5 更快的開關速度

集成柵極驅動器的新一代 GaN 器件開關速度可達 150V/ns，損耗比 SiC 低 82%，比 分立式 GaN FET 低 63%。下面圖展示了GaN HEMT在硬開關模式下，擁有更快的開通和關斷速度：

3.6 死驅時間

GaN HEMT沒有體二極管。GAN器件的反向傳導壓降與V(GS(OFF))成比例增加。在死區時間內，2DEG的行為就像一個二極管，V(F )= V(TH(GD))+ V(GS(OFF))+ I(SD)* R(SD(ON))。

4 成本

GaN 通過消除有源和無源器件，使用更小、更輕的磁性元件，并降低系統的冷卻需求，可實現顯著的系統及成本節約。但是，實現的節省遠不止這些，GaN 有望進一步降低器件成本，業界對GAN成本評估預測如下圖所示。

5 驅動

5.1 D-mode GAN驅動

按照應用場景差異，GaN需要隔離或非隔離、低邊或自舉、零伏或負壓關斷等多種驅動方式，由于按照柵極特性差異，GAN分為常開的耗盡型(D-mode)和常關的增強型(E-mode)。D-mode GaN從常開型變為常關型，主要包括級聯(Cascode)和直驅(Direct Drive)兩種技術架構;其中，級聯型的D-mode GaN更為主流。如下圖，級聯型的D-mode GaN是通過利用低壓Si MOSFET的開關帶動整體的開關，從而將常開型變為常關型。

D-mode GaN最大的優勢在于可用傳統Si MOS的驅動電路，以0V/12V電平進行關/開的控制。但需要注意的是，盡管驅動電路和Si MOS相同，但由于級聯架構的D-mode GaN的開關頻率和速度遠高于傳統的Si MOS，所以要求驅動IC能夠在很高的dv/dt環境下正常工作。

5.2 E-Mode GAN驅動

不同于D-mode GaN通過級聯低壓Si MOS來實現常關型，E-mode GaN直接對GaN柵極進行p型摻雜來修改能帶結構，改變柵極的導通閾值，從而實現常斷型器件。根據柵極結構不同，E-mode GaN又分為歐姆接觸的電流型和肖特基接觸的電壓型兩種技術路線，其中電壓型E-mode GaN最為主流。

GaN/Si MOS/IGBT 不同狀態下電流路徑

考慮E-mode GaN的以上驅動特性，對驅動器和驅動電路的設計一般需要滿足：

具備100V/ns以上的CMTI，以滿足高頻應用的抗擾能力;

可提供5~6V的驅動電壓，并且驅動器最好集成輸出級LDO;

驅動器最好有分開的OUTH和OUTL引腳，從而不必通過二極管來區分開通和關斷路徑，避免了二極管壓降造成GaN誤導通的風險;

在高壓、大功率應用特別是硬開關拓撲，可以提供負壓關斷能力;

盡可能小的傳輸延時和傳輸延時匹配，從而可以設定更小的死區時間，以減小死區損耗。

在低電壓、小功率，或對死區損耗敏感的應用中，一般可使用0V電壓關斷;但是在高電壓、大功率系統中，往往推薦采用負壓關斷來增強噪聲抗擾能力，保證可靠關斷。在設計柵極關斷的負壓時，除了需要考慮GaN本身的柵極耐壓能力外，還需要考慮對效率的影響。如下表所示，這是因為E-mode GaN在關斷狀態下可以實現電流的反向流動即第三象限導通，但是反向導通壓降和柵極關斷的負壓值相關，用于柵極關斷的電壓越負，反向壓降就越大，相應的會帶來更大的死區損耗。一般，對于500W以上高壓應用，特別是硬開關，推薦-2V~-3V的關斷負壓。常用的驅動方式有以下2種方案：

1、阻容分壓式方案，E-mode GaN可以采用傳統的Si MOS驅動器來設計驅動電路，需要通過阻容分壓電路做降壓處理。

需要電阻、電容、穩壓管設計外圍電路，這種驅動方案可以采用普通的Si MOSFET驅動芯片，如下圖所示，當驅動開通時，圖中Cc與Ra并聯后和Rb串聯，將驅動供電電壓(如10V)進行分壓后，為GaN柵極提供6V驅動導通電壓，Dz1起到鉗位正壓的作用;當驅動關斷時，Cc電容放電為GaN柵極提供關斷負壓，Dz2起到鉗位負壓的作用。

2、直驅式方案

無需電阻、電容、穩壓管等外圍電路

6 損耗

6.1 雙脈沖測試

雙脈沖測試可以獲取開關管開關過程中的參數，通過測試結果評估驅動電阻是否合適，是否需要吸收電路等。而且可以衡量開關管在實際工作中的表現，主要有反向恢復電流，關斷電壓尖峰，開通關斷時間等

1)t0時刻，門極發出第一個脈沖，下橋MOS飽和導通，電壓U加在負載L兩端，電感的電流線性上升。

2)t1時刻，下橋MOS關斷，電感電流由上橋二極管續流，電流波形如虛線所示，由于電流探頭放在下橋的發射極，因此，在上橋二極管續流時，電流探頭檢測不到該電流。

3)t2時刻，第二個脈沖的上升沿到達，下橋MOS再次導通，上橋續流二極管反向恢復，反向恢復電流會穿過下橋MOS，電流探頭上能捕捉到這個電流。在該時刻，重點觀察MOS的開通過程。

4)t3時刻，下橋MOS再次關斷，此時電流變化較大，由于母線雜散電感Ls的存在，Vce會產生一定的電壓尖峰。在該時刻，重點觀察MOS的關斷過程。Vce電壓尖峰是重要的監控對象，同時還需關注關斷之后電壓和電流是否存在異常振蕩。

雙脈沖測試問題注意：

(1)要想獲得較為精確的測量值，對測試儀器有很大要求，一般采用高壓探頭取Vge、Vce，羅氏線圈電流探頭取Ic，對于驅動信號可以采用普通探頭獲得。同時，對探頭進行校準，盡量減小測量儀器帶來的誤差。

(2)調整柵極電阻Rgon，用以確定Rgon的數值是否合適。并且調整優化GAN的VDS與ID波形，切勿出現電流嚴重拖尾，VDS打嗝。

(3)負載電感可以使用自己繞制的空心電感，或者購買相應的空心電感，不要使用磁粉芯電感，瞬間大電流會影響磁粉芯電感的電感值，從而對測試結果造成影響。

(4)直流側需要高壓電源，一般情況下，為保護儀器，可以用多個電容串并聯，使用高壓電源為電容充電，然后給被測電路供電。

(5)雙脈沖信號信號發生器產生，信號發生器輸出有50Ω或者1MΩ，不同的阻抗輸出電壓值會不同，測試前需使用示波器觀察發生器的波形是否滿足預期，以免影響測試結果。

6.2 雙脈沖仿真

搭建仿真平臺

采樣電阻雜感2nh

母線加RC

仿真結果：采樣電阻2nh雜感情況

仿真結果可見，下管采樣電阻雜感等寄生參數影響波形，形成LC震蕩。下管開通時，由于上管的反向恢復電流影響，在IR5處測得電流出現回溝。

結語

應用實例：人形機器人已經在酒店服務、機場安全等領域得到應用，預計未來將在更多領域發揮作用。

勞動力缺口：人形機器人有潛力填補因出生率下降導致的勞動力缺口，維持經濟穩定和提高生活質量。

技術進步：GaN技術的持續進步將推動人形機器人向更高效、可靠和能力的方向發展。