本文檔介紹了GaN功率開關器件的特性，包括共源共柵結構和工作區域。 GaN功率開關器件夠以較低的反向恢復電荷在三個象限中工作，與現有的硅技術相比，具有卓越的性能。

一、Si MOS與GaN FET結構特點

   氮化鎵（GaN）功率開關器件包括級聯配置的常關低壓（LV）硅（Si）MOSFET和常開高壓GaN高電子遷移率晶體管（HEMT）。【以Tansphorm GaN為例進行分析】

   以這種配置進行封裝，Si MOSFET和GaN HEMT一起充當單個晶體管---GaN開關管。 GaN開關器件的柵極和源極由Si MOSFET的柵極和源極提供，而GaN開關的漏極由GaN HEMT的漏極提供。

   在應用中，GaN開關器件的行為類似于帶有低電荷體二極管的超快FET。“體二極管”是MOSFET固有的p-n結，與MOSFET溝道并聯。MOSFET關斷時，體二極管可以將電流從源極傳導到漏極（MOSFET的反向），并且在應用中可以用作續流二極管。然而，作為雙極型器件，體二極管以其正向導通模式存儲少數載流子。尤其是在高壓MOSFET中，在正向導通期間會存儲大量的少數載流子，這會導致MOSFET的反向特性變差，例如高反向恢復電流和長反向恢復時間。相比之下，GaN功率器件由作為主要載流子器件的HV GaN HEMT和在正向傳導期間固有地僅存儲很少的少數載流子的LV MOSFET組成。因此，GaN功率器件在反向導通期間僅存儲少量的少數載流子，同時提供與MOSFET相同的反導率。

   在不損失高壓體二極管的情況下，GaN具有較低的恢復電荷和較短的恢復時間，表現出巨大的性能優勢。 此外，GaN下降和上升時間<10 ns運行非常快，因此可將應用中的開關損耗降至最低。

二、GaN工作特性

   為了更好地理解GaN的工作原理，可以區分三種工作模式：

1、正向截止（Vgs=0，Vds>0）

      a、0<Vds<-Vt

      b、0<-Vt,g<Vds

2、正向導通（Vgs>Vt,s,Vds>0）

3、反向導通（Vds<0）

      a、反向開通（Vgs=0,Vgs>Vt,s）

      b、反向截止

 其中，Vt,s是LV Si MOSFET的閾值電壓，GaN HEMT的閾值電壓Vt,g<0，漏極電壓VDS，漏極電流ID，并且VGS,g+ VDS,s= 0。

2.1 正向截止

2.1.1 VGS=0, 0 < VDS < -Vt,GaN 

   在VGS = 0時，Si MOSFET關閉，并且沒有電流流過Si MOSFET的溝道或GaN HEMT的溝道（ID = 0）。 當VDS <-Vt，GaN和ID?0時，Si MOSFET的漏極電勢等于GaN開關的漏極電勢，VDS,Si = VDS。 在該工作區域中，開關的整個漏極電壓VDS被Si MOSFET阻擋。

2.1.2 VGS=0, 0 < -Vt,GaN < VDS 

   隨著VDS的增加，GaN HEMT的柵極電壓相對于其源極電壓變得越來越負，從而逐漸關閉GaN HEMT。 在VDS = –Vt,GaN時，GaN HEMT被關閉。 對于電壓VDS> –Vt,GaN，GaN HEMT兩端的電壓降為VDS + Vt,GaN，而Vt,GaN <0。

2.2 正向導通

VGS> Vt,Si, ID,VDS > 0

當Si MOSFET導通（VGS> Vt,Si）時，線性區域中GaN開關兩端的壓降為

VDS=ID (RDS(on),Si + RDS(on),GaN) （1）

其中RDS（on）,Si和RDS（on）,GaN分別是Si MOSFET和GaN HEMT的導通電阻。

2.3反向導通（VDS<0）

2.3.1 反向開通

2.3.1.1 VDS<0,VGS=0

   當GaN開關關閉（LV Si MOSFET關閉）并且向GaN開關施加反向電壓時，電流流過LV Si MOSFET的體二極管和常開的HV GaN HEMT的溝道。

   在此反向導通期間，GaN開關兩端的反向電壓降VSD是Si MOSFET的體二極管電壓降VSD-Si與GaN溝道兩端的導通電壓降之和。 GaN通道兩端的壓降可以描述為電流IF與GaN HEMT的漏源導通電阻RDS（on）的乘積。

VSD = VSD-Si + IF*RDS(on)_GaN （2）

2.3.1.2 VDS < 0, VGS>Vt,Si 

   如式（2）所示，GaN開關的反向壓降是電流的函數，并且高于Si MOSFET的體二極管壓降。 但是，為了提高應用性能，可以通過在反向導通期間導通低壓Si MOSFET來減小反向壓降。 通常需要有一定的死去時間避免直通現象。

   通過施加高于GaN開關的閾值電壓Vt,Si的柵極電壓（此處VGS> 4V），LV Si MOSFET導通，反向電流IF流經Si溝道（其溝道電阻RDS（on） ,Si）和GaN通道（帶有RDS（on）,GaN）。 因此，在合理的電流水平下，IF * RDS（on）,Si <VSD-Si，并且GaN開關兩端的反向電壓降減小為

VSD = IF * (RDS(on),GaN+RDS(on),Si)   （3）

2.3.2 反向恢復特性

   為了證明GaN開關與高壓MOSFET相比具有較小的反向恢復損耗，可以測試GaN開關的反向恢復。

   下圖顯示了可用于該測試的反向恢復測試電路。 它由被測設備（DUT），電感器L1和控制開關Q1組成。

   當Q1打開時，測試開始。隨后，電流流過L1和Q1，DUT IF的反向電流IF = 0。然后關閉Q1，但電流仍流過L1并產生IF≠0。因此，調制Q1可以設置從電感器流到DUT的源極然后是DUT漏極的電流IF。為了觀察建立IF后DUT的反向恢復，Q1再次關斷，DUT從反向傳導轉換為正向阻塞。

   為了更好地了解GaN相對于現有硅技術的優勢，已經對600V Transphorm GaN開關和具有類似導通電阻的600V CFD2型（低Qrr設計）CoolMOS Si MOSFET進行了反向恢復測試。下圖分別顯示了GaN開關和MOSFET的反向關斷波形。兩個DUT均在初始電流IF = 9A和反向偏置電壓VDD = 400V時進行了測試。雖然Transphorm GaN開關在450A / us且幾乎沒有振鈴的情況下進行了測試，但CoolMOS在450A / us時并不穩定。因此，其關閉di / dt降低至100A / us以保持穩定性。 （進一步的測試表明，在不同的di / dt從100 A / us到480 A / us的情況下，GaN開關的Qrr保持不變，因此可以對這兩個測量結果進行比較。）

   圖中的測試波形分別顯示了GaN開關和低Qrr MOSFET的DUT恢復電荷Qrr為40 nC和1000 nC。GaN開關的Qrr極低，比快速恢復設計CoolMOS的Qrr小25倍。

Reverse turn-off of CoolMOS, 9A, 400V, 100A/us; Qrr = 1000nC

Reverse turn-off of Transphorm GaN device, 9A, 400V, 450A/us; Qrr = 40nC

   為了進一步分析GaN開關的反向恢復電荷，可以將反向恢復電荷分為兩個部分：第一，GaN HEMT的電容性電荷，第二，低壓Si MOSFET的反向恢復電荷。

   在IF = 0A時，Si MOSFET的反向恢復為零，因此，觀察到的任何電流只能來自于開關電容QC的放電。 圖7.1和圖7.2顯示了在Q1的不同開關速度下IF = 0A的測量結果。 可以觀察到Qc?35nC，約占總Qrr的86％。 換句話說，少數充電組成僅占整個Qrr的14％。

di = 2.6A, dt = 26.9ns, QC = 35.6nC

di = 1.25A, dt = 55.2ns, QC = 34.5nC

三、總結

   GaN開關具有三種工作模式，包括正向截止，正向導通和反向導通。與Si MOSFET相比，它們的開關速度非常快，具有出色的反向關斷特性。這些特性使GaN器件特別適合于硬開關無二極管橋應用，例如電機驅動逆變器，PV逆變器，圖騰柱PFC以及其他相關應用。