将E-Mode GaNFET与基于GaN的门极调节电路整合，可以显著提升GaN开关的门驱动可靠性和兼容性，同时保持快速开关特性，并减轻因共同封装相关的寄生元件所引起的振铃现象。

　　级联和E-Mode GaNFET的演变与可靠性

　　级联GaN(如图1(a)所示)将低电压常关硅MOSFET与高电压常开GaN HEMT以级联配置结合在一起。该组合有效地实现了增强模式行为，这项技术自2010年代初期以来已投入商业应用。硅MOSFET的门阈电压普遍为4 V，相比于本土GaN解决方案，不仅简化了门驱动要求，还使这些级联GaN通常可以用标准硅门驱动器进行驱动。此外，硅MOSFET的混合特性可以提升可靠性。可以利用硅的已知特性和行为来保护更为敏感的GaN HEMT的门极，降低因高电压尖峰或不当的门电压造成的故障风险。

图1

　　然而，位于GaN HEMT的门极和源极之间的额外硅MOSFET会显著增加级联GaN器件的有效输入电容，从而大大牺牲了快速开关特性，这也是其相较于SIC MOSFET的一个突出优势。更糟糕的是，硅MOSFET与D-mode GaN的串联连接用于共同封装，会导致额外的寄生电感，从而在开关波形中产生更多的振铃和过冲，影响整体性能并引发对电磁干扰(EMI)的担忧。

　　E-mode GaNFET(如图1(b)所示)采用p型GaN门结构，提供正门阈电压，使得该器件在单芯片解决方案中固有地保持常关状态。这对于需要安全操作的电力应用至关重要。E-mode GaNFET通常表现出非常低的门电荷和电容，无需额外组件，从而实现更快的开关速度，减少开关损耗，特别适用于需要高频操作的应用。

　　尽管如此，p型GaN门的典型门阈电压为1.4 V，这可能由于噪声或门电压波动导致意外开启器件及系统故障。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(通常需要12-18 V)不兼容，使得从其他功率开关切换到GaN HEMT变得困难。最后，p型GaN门尚不成熟，更为脆弱，因此对其长期可靠性和阈电压稳定性存在顾虑。

　　全GaN集成电路解决方案：门阈电压和驱动范围的飞跃

　　GaNPower International创新了一种全GaN集成电路(All-GaN-IC)方法，将门阈电压从1.4 V提升至令人印象深刻的3.5-4.0 V，扩展了可达±20 V的驱动范围。一个专有的基于GaN的门调节电路已与功率GaNFET单芯片单体集成。这一创新(如图2(a)所示)使新的E-Mode GaN与硅和SiC MOSFET的引脚输出、阈电压和驱动范围相一致，因此得名“引脚对引脚”(P2P)，以其卓越的兼容性而闻名。P2P技术结合了级联GaN和E-mode GaN的优点，旨在实现更可靠的门驱动，同时不会大幅牺牲GaN功率开关的快速开关优势。

　　根据图2(b)中显示的LTSpice模拟结果，P2P GaN开关的门阈电压已提升至约4 V，其门电压通过全GaN集成电路的0-20 V PWM输入被适当地限制在7 V以下。

图2

　　在室温下进行的静态IdVg测量实验结果(如图3所示)也验证了P2P GaN的门阈电压(3.6 V)得到了增强，相比于没有基于GaN的门调节电路的普通E-mode GaN。

图3

　　展示优越的开关性能

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

　　在12 V PWM输入和900 V总线电压下，所有开关波形(Vgs、Vds和Ids，如图4所示)均无明显的振铃或过冲。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)，可以从钳位的Vds波形中观察到。在125°C下，在类似负载条件下进行的另一次双脉冲测试显示出可比的开关波形，表明基于GaN的门调节电路具有良好的热稳定性。

图4

　　为对P2P GaN进行连续硬开关评估，搭建了一个100 KHz半桥Buck测试平台，采用高饱和环形电源电感和恒定40欧姆高功率电阻负载。在主测试板上安装了两台GP65R45T4器件，并在测试过程中采用了适当的风扇冷却。

图5

　　根据图5(a)中显示的效率报告，在12 V PWM输入和200-550 V总线电压下，基于P2P GaN的Buck变换器实现了97.42%的峰值效率，最大功率输出为3.7 kW。图5(b)显示出在450 V总线电压下，达到峰值效率时，开关波形良好，无显著振铃和过冲现象。

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