氮化镓(GaN)器件在功率转换器中具有多种优势，包括更高的效率、功率密度和高频开关能力。横向GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)功率器件在这些应用中市场增长强劲。这种本征耗尽模式的器件的栅极驱动具有挑战性，提供了多种解决方案以实现鲁棒的增强模式操作。在本文中，我们总结研究了具有集成栅极接口和保护功能的p-栅极GaN HEMT的栅极过电压鲁棒性。

　　p-栅极GaN HEMT面临的挑战

　　在创建增强模式GaN技术的各种选项中，p-栅极GaN HEMT已成为一种受欢迎的器件选择。在栅极金属下方添加掺镁的p型层，可以改变带隙，从而将器件的阈值电压Vth移至正范围。这种器件的肖特基金属阻挡版本(SP-HEMT)已被多家器件制造商和代工厂商业化，电压等级范围从15V到650V。这种器件的Vth通常低于2V。这种低Vth可能使器件更容易受到噪声的影响，尤其是来自这些器件能够实现的高频、高斜率开关产生的瞬态噪声。

图1

　　器件的寄生开启是由于漏极-栅极米勒电容耦合造成的风险。这种风险通常需要使用负的关态栅极电压(VGS)驱动。另一个限制来自于开启时使用更高电压栅极驱动引起的可靠性问题。栅极接触通常在VGS > 7V时开始导电。陷阱相关效应导致阈值电压变化，热载流子也可能导致动态导通态电阻(RDSon)增加。这为导通态VGS创建了一个上限窗口，通常约为6.5V。

　　导通态Vgs的下限窗口可以由RDSon设定，通常需要> 4V左右才能达到饱和低水平。因此，整体操作窗口可能很小(4V – 6.5V)。因此，栅极过驱动的余量非常有限(约1V)。基于驱动Si mosfet的标准栅极驱动器不能轻易使用，需要多个外部组件，从而增加了转换器板的复杂性和成本。板设计和布局对于保持感应路径小至关重要，而使用噪声余量低且需要与栅极驱动器接口的许多外部组件的GaN器件会增加这种复杂性。

　　集成GaN解决方案

　　剑桥GaN器件公司是一家无晶圆半导体公司，开发了一系列额定电压为650V的硅基GaN功率器件。一种新颖的栅极接口，称为ICeGaN™，以及传感和保护电路被单片集成到单一芯片解决方案中。ICeGaN™电路的示意框图如图1所示。主功率HEMT是一个额定电压为650V、Vth约为1.6V的肖特基p-栅极GaN HEMT。

　　辅助低压GaN HEMT，以及电流源和电压限制器，负责吸收外部应用栅极电压的大部分。因此，功率HEMT器件的栅极(称为内部栅极或VGi，如图1所示)的电压得到仔细控制。该电路确保功率HEMT在达到外部栅极电压VG达到约2.7V(这是集成器件的Vth)之前不会开启，此时VGi约为1.6V。当VG高于此值且VG < 7V时，VGi遵循辅助HEMT的栅极电压VG,aux，根据公式VGi = VG,aux – VGS,aux。当VG > 7V时，VG, aux被钳位在恒定电压，因此VGi被限制在约5.5V。

　　VG和VGi之间的关系如图2所示。因此，这允许使用标准栅极驱动器用于外部VG。ICeGaN™接口的另一个优点是，钳位电路在低温下相对于升高温度在VG高值时减小VGi，从而最小化GaN HEMTs1中观察到的一种退化机制。

图2

　　米勒钳位是动态操作下的重要保护器件。该器件具有可调状态，使得在功率GaN开启时的正常条件下，它处于高阻抗关态。在关闭时，它能够将VGi强烈拉至0V，加速关闭并最小化栅极电荷。米勒钳位还提供了对外部瞬态和快速开关事件中寄生开启的强大免疫力。

　　栅极过电压鲁棒性

　　在Wang及其团队进行的这项研究中，研究了ICeGaN™的动态栅极过电压边界。使用了一个650V/130mΩ的ICeGaN™产品。如图1所示，智能接口由外部12 – 20V VDD电压供电。在VG或VGi上产生共振电压过冲，模拟在功率转换器中可能看到的栅极过冲。测试在静态条件下进行，其中功率GaN漏源接地(称为DSG，VDS = 0V)，模拟零电压开关情况，以及在400V总线电压和感应负载下的硬开关(HSW)条件。测试平台示意图如图3所示。

　　该测试电路通过在栅极回路电感LG中积累能量来产生过冲，该能量由0.5V VCC供电电压充电。开关S1是一个低压GaN HEMT。当S1关闭时，LG中的能量会产生共振过冲，共振由LG和ICeGaN™的输入电容以及S1的输出电容之和产生。过冲的脉冲宽度可以通过LG值和S1的导通时间进行调制。本工作中使用了20ns的宽度。器件在25°C和150°C下进行了测试。另一个变量是ICeGaN™芯片的VDD供电。在一个情况下，它被设置为20V，而在另一个情况下，它与外部栅极供电相连。后一种情况消除了ESD保护电路中的过电压应力。

图3

　　动态栅极过电压鲁棒性通过参数BVG, DYN测量，该参数表示部件失效前的最大栅极过应力电压。获得的结果显示在图3中包含的表格中。当过电压直接应用于内部栅极时，得到BVG, DYN值为33-35V，而当应力应用于ICeGaN™的外部栅极引脚且VDD为20V时，该值增加到66 -72V。

当VDD引脚与外部栅极短路时，BVG, DYN进一步增加到84 -92V。在外部20V供电驱动VDD的情况下，故障分析表明ICeGaN™芯片中的ESD保护块可能是故障块。故障时的参数特性显示了栅极-源极短路。在VDD与外部栅极短路的情况下，故障后转移特性几乎没有变化。这里的故障归因于米勒钳位的退化，导致软故障。

　　BVG, DYN的显著提升显示了ICeGaN™栅极接口提供的出色栅极保护。通过集成解决方案提高栅极鲁棒性，在使用ICeGaN™器件的功率转换器应用中可能是一个重要的优势。

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