雙向 GaN 電源 IC 適用于各種應(yīng)用，從電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和可再生能源逆變器到 USB 充電器、便攜式電子設(shè)備、電動(dòng)自行車等。本文介紹了雙向 GaN 開關(guān)的應(yīng)用可能性示例。

GaN 高電子遷移率晶體管 (HEMT) 或 HFET 已采用 600 V 工藝制造，該工藝可生產(chǎn)導(dǎo)通電阻低至 70 mΩ 的器件。為了進(jìn)行性能比較，在同一晶圓上制造了單向和雙向器件。使用 p-GaN 柵極來獲得器件中的常關(guān)特性。

為了制作雙向 HFET，在靠近漏極 D1 的漂移區(qū)中添加了第二個(gè)柵極 (G2)，并將其用作一個(gè)操作方向的控制柵極(圖 1)。雙向 GaN HFET 是對(duì)稱的，可以在兩個(gè)方向上承載相同的電流。

圖 1. 單向(左)和雙向(右) GaN HFET 的橫截面。雙向 HFET 可以從左到右操作，S1、G1 和 D1 分別作為源極、柵極和漏極，或者從右到左操作，S2、G2 和 D2。

添加第二個(gè)柵極不會(huì)對(duì)器件性能產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性影響。雙向 FET 的特定導(dǎo)通電阻在兩個(gè)方向上相同，比單向器件高 3%。兩種器件的截止?fàn)顟B(tài)漏極漏電流高達(dá) 600 V，均低于 5 μA。在 10 A、400 V 鉗位電感開關(guān)測(cè)試中，兩種器件在關(guān)斷期間均表現(xiàn)出 60 V/ns 的壓擺率。

在另一個(gè)案例中，已經(jīng)開發(fā)出一種用于功率因數(shù)校正電路中的維也納整流器、可再生能源系統(tǒng)中的電流源逆變器和固態(tài)斷路器等拓?fù)涞钠骷?。在同等性能的基礎(chǔ)上，該器件比 SiC 雙向 FET 小 4 倍，比兩個(gè)單向 GaN 器件小 3 倍，比傳統(tǒng)硅解決方案小 9 倍。

USB端口OVP保護(hù)

40 V、4.8 mΩ 雙向常閉增強(qiáng)模式 (e-mode) GaN 晶體管采用晶圓級(jí)芯片尺寸 (WLCSP) 封裝，適用于較低功率和電壓應(yīng)用。它旨在取代電池管理系統(tǒng) (BMS)、過壓保護(hù) (OVP) 應(yīng)用、備用和備用電源系統(tǒng)中多個(gè)電源的開關(guān)電路以及雙向轉(zhuǎn)換器中的高側(cè)負(fù)載開關(guān)中的背對(duì)背 Si MOSFET。除了導(dǎo)通電阻低之外，這些器件還具有 1 MHz 的工作頻率。

ARPA-E 電路

美國(guó)能源部高級(jí)研究計(jì)劃局 (ARPA-E) 的“利用創(chuàng)新拓?fù)浜桶雽?dǎo)體創(chuàng)建創(chuàng)新可靠電路”(CIRCUITS) 項(xiàng)目贊助了基于 GaN 的四象限開關(guān) (FQS) 的開發(fā)。

FQS 用一個(gè)提供雙向電壓控制和電流流動(dòng)的器件取代了兩個(gè) FET、兩個(gè) IGBT 和兩個(gè)二極管。它使用兩個(gè)柵極來阻斷任一極性的電壓并支持任一方向的電流流動(dòng)。使用 FQS 將減少零件數(shù)量，從而實(shí)現(xiàn)更高的功率密度、更高的可靠性和更低成本的解決方案。

橫向 GaN 技術(shù)可以制造 FQS，因?yàn)殡妷鹤钄鄥^(qū)可以在器件的兩個(gè)部分之間共享。對(duì)于用于 Si 和 SiC 器件的垂直結(jié)構(gòu)來說，這是不可能的。原型 FQS 已使用 650 V GaN 技術(shù)制造，閾值電壓為 4 V。這些器件采用 GaN 制造，支持快速切換和低損耗，可實(shí)現(xiàn)緊湊、高效的解決方案。

電動(dòng)自行車等

對(duì)于電動(dòng)自行車 (E-bikes) 和儲(chǔ)能系統(tǒng)等電池供電設(shè)備，100 V 雙向 GaN-on-Si e-mode 器件采用 4.0 x 6.0 mm 倒裝芯片四方扁平無引線 (FCQFN) 封裝。這些器件的額定電流為 100 A，最大 RDD(on) 為 3.2 mΩ，VG 為 5 V，典型 QG 為 90 nC，VDD 為 50 V。

該器件的應(yīng)用包括電池管理系統(tǒng)中的保護(hù)、雙向轉(zhuǎn)換器中的 (BMS) 高端開關(guān)以及多電源系統(tǒng)中的開關(guān)電路。BMS 應(yīng)用可與支持電池平衡的模擬前端 (AFE) IC 和柵極驅(qū)動(dòng)器配對(duì)。在適當(dāng)?shù)纳釛l件下，該單柵極器件的額定電流為 120 A。

概括

額定電壓為 40 至 650 V 的雙向 GaN 開關(guān)已經(jīng)開發(fā)出來。它們可以簡(jiǎn)化和縮小各種應(yīng)用，從便攜式電子設(shè)備到電動(dòng)自行車電池系統(tǒng)、數(shù)千瓦電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和可再生能源逆變器。