氮化镓(GaN)高电子迁移率晶体管(HEMT)功率器件在快速切换功率转换应用中具有许多优势，已广泛用于手机/笔记本电脑电源适配器/充电器、数据中心电源和可再生能源系统。在本文中，我们深入探讨由Innoscience为电池管理系统(BMS)创造的一种新型应用，该应用使用设计为双向器件的GaN HEMT。

　　双向开关与GaN HEMT的优势

　　双向开关(BDSes)有许多不同的应用，其中一个例子是AC/AC环形变流器，可替代如太阳能逆变器中的AC/DC + DC/AC阶段。双向操作使四象限切换成为可能，可以减少元件数量，提高效率、功率密度和可靠性。硅mosfet具有在反向模式下导通的本征体二极管(即对于NMOS器件，当漏极相对于源极处于负电位时)。然而，MOSFET的这种反向操作对栅极控制非常有限。因此，通常在串联中使用两个背靠背的MOSFET。电流流经一个器件的MOSFET和另一个器件的体二极管。在任一方向上，两个器件的导通损耗相加。

　　GaN HEMT是一种横向器件，没有体二极管。因此，在单个器件中可以轻松实现双向电流流动。电压阻挡能力通常通过在漏极处创建横向漂移区域来实现。以类似方式处理通道的源极侧以创建对称器件，可以实现双向电压阻挡能力。与硅MOSFET相比，这种方法的一些优势如下：

　　一个GaN器件可以替代两个MOSFET。

　　GaN的材料优势，以及在HEMT的二维电子气通道中实现的高载流子迁移率和饱和速度，使得特定导通态电阻(RDS(on) × 面积)指标得到改善。这转化为更低的导通损耗。在需要高频切换的应用中，GaN的更低寄生电容显著提高了切换品质因数并降低了损耗。

　　硅MOSFET的阈值电压(Vth)通常具有负温度系数，导致漏极电流的正温度系数(PTC)(或给定栅极驱动下的导通增加)，直到漏极电流特性中的零温度系数点，在此点之后，随着温度增加，移动性降低并且电流下降。漏极电流的PTC区域可能导致热失控的风险增加，特别是在较高漏极偏置下，并将器件的安全工作区域(SOA)限制在理论极限以下。这被称为Spirito效应。由于GaN HEMT在不同温度下的Vth特性非常稳定，与硅MOSFET相比，它表现出很少的Spirito效应，导致在温度范围内的稳定SOA。

　　BMS中的VGaN器件

　　Innoscience利用上述GaN HEMT的这些优势，创造了称为VGaN的双向器件。该器件的主要应用目标是在BMS中作为过电压保护(OVP)负载开关。以笔记本电脑电池充电系统为例。现代笔记本电脑的充电可以通过USB端口或无线方式进行。笔记本电脑需要双向功能，例如为手机提供充电电力。每个充电通道所需的OVP电路至少需要四个硅MOSFET来实现双向性。使用两个GaN BDS器件即可完成。在此应用中BDS器件的一些要求是：

　　低导通损耗。BDS通常是开启的，仅在系统检测到过电压时关闭。因此，低RDS(on)是一个重要考虑因素。

　　小占用空间。移动设备通常受空间和重量限制。

　　低待机泄漏。这减少了在不充电时这些设备可能对电池造成的负担。

　　低成本：这是任何消费电子设备中的关键要求。

　　Innoscience推出了一系列电压等级从40 V到100 V的VGaN器件。40-V的设备可以，例如，用于智能手机电池OVP应用。40-V产品线特征为RDS(on)在1.2 mΩ到12 mΩ之间变化的VGaN器件。INN040W048A是一款4.8-mΩ、20-A VGaN器件，封装在小型WLCSP 2.1 × 2.1-mm中。其作为OVP在商业应用中的一个例子是在OnePlus 11R智能手机中的应用公告中展示的，如图1所示。这继VGaN设备在其他手机如OPPO Reno7 Pro和RealMe GT2大师版中的使用之后。VGaN在节省空间方面达到了64%，同时在充电过程中也减少了85%的峰值功率加热。

图1

　　低待机泄漏是OVP设备的一个关键指标，Innoscience修改了标准单向HEMT工艺和设计，以在其VGaN设备中满足这一要求。如图2所示，通过外延和设计修改的组合可以减少栅极泄漏。INN040W048A在85°C温度下的最大5-V栅极对漏极泄漏规范为3 µA。

图2

　　VGaN产品如INN040W048A经历了完整的JEDEC可靠性测试套件。需要高漏极偏置的测试，如标准高温反向偏置(HTRB)及其高湿度版本(H3TRB)，在两个漏极节点上以32-V漏极偏置进行测试，以确保可靠的双向阻挡。此外，还进行了加速寿命测试，如图3所示。这些测试表明，在5 V、125°C下，10 ppm的栅极失效率超过20年。加速高漏极偏置关断状态可靠性研究推算出在32-V漏极偏置下的10 ppm失效率寿命超过10,000年。

图3

　　Innoscience还生产100-V VGaN器件，目标是许多48-V电池应用，包括电动自行车和能源存储系统。INN100FQ030A是一款100-V、3.2-mΩ BDS，采用FCQFN 4 × 6-mm封装。图4显示了与使用100-V硅MOSFET相比，该器件的尺寸优势。在100 A电流下进行的测试显示，与硅MOSFET相比，VGaN的结温增加小得多，仅为4.7°C，而硅MOSFET则为11°C。这归因于GaN设备的稳定Vth及其随温度变化的跨导减小。

图4

　　Innoscience创建了一个48-V/180-A BMS高侧演示板。它使用16个并联的INV100FQ030A设备，提供充电和放电同端口电池保护。无需外部散热器，最大温度上升被保持在或低于50°C。应用包括电动二轮车和能源存储系统。

　　VGaN器件利用GaN HEMT的优势用于新型应用，如BMS中的OVP。VGaN器件在智能手机和其他移动设备中的使用也利用了其8英寸GaN-on-silicon工厂的高产量制造能力。VGaN的优势使其能够用于许多需要电池的其他应用，如能源存储系统和二轮车。

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