東芝級聯(lián)共源共柵技術(shù)解決 GaN 應用的痛點(diǎn)

和傳統的硅功率半導體相比，GaN（氮化鎵）和 SiC（碳化硅）有著(zhù)更高的電壓能力、更快的開(kāi)關(guān)速度、更高的工作溫度、更低導通電阻、功率耗散小、能效高等共同的優(yōu)異的性能 , 是近幾年來(lái)新興的半導體材料。但他們也存在著(zhù)各自不同的特性，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，GaN 的開(kāi)關(guān)速度比 SiC 快，SiC 工作電壓比 GaN 更高。GaN 的寄生參數極小，開(kāi)關(guān)速度極高，比較適合高頻應用，例如：電動(dòng)汽車(chē)的 DC-DC（直流 - 直流）轉換電路、OBC（車(chē)載充電）、低功率開(kāi)關(guān)電源以及蜂窩基站功率放大器、雷達、衛星發(fā)射器和通用射頻放大器等；SiC MOSFET（金屬 - 氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管）的高壓高電流的能力以及易驅動(dòng)特性，使其適合于大功率且高效的各類(lèi)應用，例如：列車(chē)逆變器系統，工業(yè)電源、太陽(yáng)能逆變器和 UPS（不間斷電源）高性能開(kāi)關(guān)電源等等，可以大大提升效率，功率密度等性能。

黃文源, 東芝電子元件（上海）有限公司半導體技術(shù)統括部技術(shù)企劃部 高級經(jīng)理

東芝作為 SiC 和 GaN 產(chǎn)品早期研究開(kāi)發(fā)者者之一，擁有自己獨特的 SiC 和 GaN 產(chǎn)品技術(shù)。今年初，東芝推出了兩款全新碳化硅（SiC）MOSFET 雙模塊—— MG600Q2YMS3 和 MG400V2YMS3。這兩種新模塊在安裝方式上兼容廣泛使用的硅 IGBT 模塊，低損耗特性滿(mǎn)足了工業(yè)設備對提高效率、減小尺寸的需求，適合于軌道車(chē)輛的逆變器和轉換器、可再生能源發(fā)電系統、電機控制設備、高頻 DC-DC 轉換器等應用場(chǎng)景。在 GaN 方面，今年 1 月 31 日東芝發(fā)布了首個(gè)集成于半橋（HB）模塊的分流式MOS電流傳感器。當其用于氮化鎵（GaN）功率器件等器件時(shí)，該傳感器可使電力電子系統具有很高的電流監測精度，但功率損耗不會(huì )增加，并有助于減小此類(lèi)系統和電子設備的尺寸。

全球推行碳中和，需要更高效的電子設備，尤其是小型的系統。然而，由于半橋模塊和電流傳感器必須安裝在電感器的兩側，因此將他們集成在一塊芯片上很困難。電流檢測降低功耗（減少熱量）的同時(shí)，也會(huì )降低的精度，因為這取決于分流電阻。雖然現今的技術(shù)可實(shí)現高精度電流傳感器，但卻無(wú)法降低損耗。東芝的新技術(shù)采用級聯(lián)共源共柵，將低壓 MOSFET 與 GaN 場(chǎng)效應晶體管相連用于電流傳感，因此無(wú)需使用分流電阻，避免其產(chǎn)生功耗。此外，電路優(yōu)化和尖端校準技術(shù)可保證 10 MHz 以上的帶寬，可提高產(chǎn)品性能及測量精度。集成到半橋模塊的這款新型 IC 不僅提高了開(kāi)關(guān)頻率，還縮小了電容器和電感器的尺寸有助于電子設備的小 型化。

另外，就 GaN 器件技術(shù)而言，東芝的新型 GaN 共源共柵器件與傳統的共源共柵器件有較大的不同，由于共源共柵型依靠硅 MOSFET 來(lái)驅動(dòng) GaN HEMT，因此通常很難通過(guò)外部柵極電阻控制其開(kāi)關(guān)速度。然而，東芝通過(guò)推出具有直接柵極驅動(dòng)的器件解決了這一問(wèn)題，驅動(dòng) IC 可直接驅動(dòng) GaN HEMT，可像硅功率器件一樣，改變其開(kāi)關(guān)速度，進(jìn)而有助于簡(jiǎn)化功率電子系統的總體設計。這種新型共源共柵器件的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，由于 GaN HEMT 柵極是獨立控制的，因此新器件不會(huì )因外部電壓波動(dòng)引起的硅MOSFET電壓變化而導致誤導通，從而有助于系統穩定運行。所以該新器件具有電源應用所需的可靠性，該產(chǎn)品實(shí)現了穩定的運行并簡(jiǎn)化了系統設計，能夠有效降低因誤導通而造成開(kāi)關(guān)期間產(chǎn)生額外能量損失的風(fēng)險，并可像硅一樣，輕松調節開(kāi)關(guān)速度，這是電力電子系統設計中需考慮的重要因素。

(注：本文轉載自《電子產(chǎn)品世界》2022年7月期)