将E模式GaNFET与基于GaN的栅极调节电路集成，可以显著提高GaN开关的栅极驱动可靠性和兼容性，同时保持快速开关特性，并减轻由于共封装相关的寄生组件引起的振铃现象。

　　级联和E模式GaNFET的发展与可靠性

　　级联GaN(如图1(a)所示)的结构结合了一个低压的常关硅MOSFET和一个高压的常开GaN HEMT，形成级联配置。这种组合有效地实现了增强模式行为，该技术自2010年代初期以来已商业化。硅MOSFET的栅极阈值电压通常为4 V，相较于本土GaN解决方案，它简化了栅极驱动要求，因为这些级联GaN通常可以用标准的硅栅极驱动器驱动。此外，硅MOSFET的混合特性可以增强可靠性。硅的已知特性和行为可被用来保护更敏感的GaN HEMT的栅极，降低因高电压尖峰或不当栅极电压导致的故障风险。

图1

　　然而，硅MOSFET在GaN HEMT的栅极与源极之间的额外并联，将显著增加级联GaN器件的有效输入电容，这在很大程度上牺牲了快速开关特性，这是与SIC MOSFET相比最突出的优点之一。更糟糕的是，硅MOSFET与D模式GaN的串联连接用于共封装，将导致额外的寄生电感，这会导致开关波形中的更多振铃和超调，影响整体性能并引发电磁干扰(EMI)方面的担忧。

　　E模式GaNFET(如图1(b)所示)采用p型GaN栅极结构，提供正阈值电压，使其在单芯片解决方案中天然常关。这对于需要故障安全操作的电源应用至关重要。E模式GaNFET通常表现出非常低的栅极电荷和电容，而无需额外组件，从而实现更快的开关速度和减少开关损耗。它们在需要高频操作的应用中效率极高。

　　尽管如此，p型GaN栅极的典型栅极阈值电压为1.4 V，可能会因噪声或栅极电压波动导致意外的器件开启和系统故障。此外，典型的驱动范围为-10 V至7 V，与大多数其他功率器件的驱动电压(需要12-18 V)不兼容，导致从其他功率开关切换到GaN HEMT变得困难。最后，由于p型GaN栅极尚未成熟且更脆弱，长期可靠性和阈值电压稳定性方面存在担忧。

　　全GaN集成电路解决方案：栅极阈值电压与驱动范围的飞跃

　　GaNPower International创新了一种全GaN集成电路方法，将栅极阈值电压从1.4 V提升至令人印象深刻的3.5-4.0 V，驱动范围扩展至±20 V。一个专有的基于GaN的栅极调节电路已与功率GaNFET单芯片单片集成。如图2(a)所示，这一创新使新的E模式GaN与硅和SiC MOSFET的引脚排列、阈值电压和驱动范围相匹配，因此被称为“引脚对引脚”(P2P)，具有卓越的兼容性。P2P技术结合了级联GaN和E模式GaN的优点，旨在在不大幅牺牲GaN功率开关快速开关优势的情况下，实现更可靠的栅极驱动。

　　根据图2(b)所示的LTSpice模拟结果，P2P GaN开关的栅极阈值电压已提升至约4 V，其栅极电压在0-20 V PWM输入下也被有效夹持在7 V以下。

图2

　　室温下的静态IdVg测量结果(如图3所示)也验证了P2P GaN的栅极阈值电压(3.6 V)相较于没有基于GaN的栅极调节电路的正常E模式GaN的提升。

图3

　　展示卓越的开关性能

　　建立了一个双脉冲测试平台，配备定制的空气心128 μH负载电感器、自由轮回的SiC二极管以及可靠的电压钳位电路，以准确测量动态Rdson，从而评估P2P GaN的突发模式开关性能。

　　在12 V PWM输入和900 V总线电压下，所有的开关波形(Vgs、Vds和Ids，如图4所示)都很干净，没有明显的振铃或超调。此外，动态Rdson在室温下也保持在合理范围内，最大可达33 A(其电流额定值)，这一点可以从夹持的Vds波形中观察到。另一个在125°C相似加载条件下进行的双脉冲测试显示出可比的开关波形，证明了基于GaN的栅极调节电路的热稳定性良好。

图4

　　为持续硬开关评估P2P GaN，建立了一个100 KHz半桥Buck测试平台，配备高饱和度的环形电源电感器和40欧姆的高功率电阻负载。两个GP65R45T4器件与合适的散热器安装在主测试板上，并在测试期间使用了适当的风扇冷却。

　　根据图5(a)所示的效率报告，在12 V PWM输入和200-550 V总线电压下，基于P2P GaN的Buck转换器达到了97.42%的峰值效率，最大功率输出为3.7 kW。图5(b)显示了在450 V总线电压下，峰值效率时开关波形的良好持续性，没有显著振铃和超调。

图5

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