Cascode型GaN HEMT發(fā)展及其特性應(yīng)用探討

摘要：新能源并網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)電力電子器件的性能提出了更高的要求。傳統(tǒng)電力電子器件逐步逼近理論極限。寬禁帶半導(dǎo)體氮化鎵材料（GaN）是第三代半導(dǎo)體材料的典型代表，有許多硅材料不具備的優(yōu)異性能，在軍事、民用等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。近年來(lái)，GaN高電子遷移率晶體管（HEMT）被相繼推出，受到廣泛的關(guān)注。氮化鎵高電子遷移率晶體管（GaN HEMT）在電力電子領(lǐng)域已經(jīng)應(yīng)用。高壓共源共柵（Cascode）型GaN HEMT，實(shí)現(xiàn)了在高壓場(chǎng)合，可以應(yīng)用GaN器件。本文對(duì)Cascode型GaN HEMT的全范圍輸出伏安特性進(jìn)行研究，分析其工作模態(tài)及條件，以及在單相全橋逆變器電路中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：Cascode;GaN HEMT;特性應(yīng)用;單相全橋逆變器電路

第三代半導(dǎo)體器件的代表為SiC和GaN。GaN器件的特性受到國(guó)內(nèi)外研究者的關(guān)注。在電力電子領(lǐng)域中，已經(jīng)使用GaN器件。氮化鎵高電子遷移率晶體管（GaN HEMT）有兩種類型，耗盡型、增強(qiáng)型。單體增強(qiáng)型的額定電壓最高250V。驅(qū)動(dòng)電壓達(dá)到閥值電壓，增強(qiáng)型GaN HEMT的器件就會(huì)導(dǎo)通，最大柵源電壓是6V，柵極電壓4.5V-5.5V，對(duì)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)有較高的要求。單體耗盡型GaN HEMT驅(qū)動(dòng)電壓范圍較寬，為-30-2V。但使用時(shí)需要負(fù)壓關(guān)斷，作為常通型器件，存在短路直通的風(fēng)險(xiǎn)。有兩種方式可以制備高壓GaN HEMT。一種是共源共柵結(jié)構(gòu)（Cascode），一種是單體GaN HEMT。Cascode型GaN HEMT可以有效提升電源系統(tǒng)的效率，相比Si MOSFET，Cascode型GaN HEMT二極管反向恢復(fù)更優(yōu)，并且開關(guān)損耗極低，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

1Cascode型GaN HEMT器件的結(jié)構(gòu)及輸出伏安特性

1.1 Cascode型GaN HEMT器件結(jié)構(gòu)

作為一種橫向器件，耗盡型GaN HEMT的襯底是Si半導(dǎo)體材料，高阻性GaN晶體層由此生長(zhǎng)。加入氮化鋁絕緣層，在Si襯底層、GaN層之間。將襯底、器件隔離。AIGaN層在GaN層與漏極、源極、柵極之間。二維電子氣在此之間產(chǎn)生，具有低阻特性以及高的電子遷移率。如果閥值電壓，低于柵極和源極負(fù)向電壓，激活柵極，形成二維電子氣。從而導(dǎo)通晶體管。如果閥值電壓更高，關(guān)斷晶體管。為驅(qū)動(dòng)高電壓的GaN HEMT，通常串聯(lián)使用耗盡型GaN HEMT，以及低壓SiMOSFET，使用Cascode結(jié)構(gòu)完成。 本文選取Transphorm公司的高壓Cascode型 GaN HEMTTPH3006，由耗盡型高壓GaN HEMT，與IRF8707串聯(lián)，最大通態(tài)電流17A，最大耐壓600V。

1.2Cascode型GaN HEMT輸出伏安特性

在Cascode型GaN HEMT中，串聯(lián)使用高壓耗盡型GaN HEMT，以及低壓SiMOSFET。為等效電路圖。

Cascode型GaN HEMT驅(qū)動(dòng)電壓后，開始導(dǎo)通Si MOSFET。等效電容CDS_Si、CGD_ Si開始放電。并且CGS_GaN也隨著放電，主要是由于CDS _ Si、CGS _ GaN并聯(lián)。VTH _ GaN與Vgs _ GaN相同時(shí)，GaN HEMT導(dǎo)通。VDS _ GaN電壓降低，CGD _ GaN及CDS _ GaN放電。Cascode型GaN HEMT器件600V，為輸出伏安特性。

2 Cascode型GaN HEMT工作模態(tài)

2.1 正向阻斷模態(tài)

當(dāng)關(guān)斷Si MOSFET，導(dǎo)通GaN HEMT，0< Vds <-VTH _GaN，Vgs=0。Si MOSFET處于關(guān)斷的狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)電壓Vgs是0。開關(guān)管沒(méi)有電流，因此Id=0。耗盡型GaN HEMT在開通狀態(tài)中，因?yàn)?Vgs _GaN =-Vds _Si< Vds <-VTH _GaN。Cascode型GaN HEMT的漏源電壓，是開關(guān)管中Si MOSFET承受的電壓。Vds _Si與 Vds 相等。

關(guān)斷GaN HEMT及Si MOSFET，-VTH _GaN< Vds。Vgs=0。Si MOSFET處于關(guān)斷的狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)電壓Vgs是0。漏源電壓Vds不斷上升，如果-VTH _GaN< Vds，耗盡型GaN HEMT處于關(guān)斷的狀態(tài)，其驅(qū)動(dòng)電壓比閥值電壓更低。漏源電壓Vds 由耗盡型GaN HEMT、Si MOSFET共同承擔(dān)。

2.2正向?qū)B(tài)

如果相比Si MOSFET的閥值電壓VTH _Si，Cascode型GaN HEMT的驅(qū)動(dòng)電壓更高，Si MOSFET導(dǎo)通。Cascode型GaN HEMT的漏源電壓是。

2.3反向?qū)B(tài)

Si MOSFET溝道處于關(guān)斷的狀態(tài)，Cascode型GaN HEMT驅(qū)動(dòng)電壓Vgs是0。漏源電壓低于0，導(dǎo)通Si MOSFET體二極管。二極管導(dǎo)通壓降VF，與耗盡型GaN HEMT驅(qū)動(dòng)電壓相同。耗盡型GaN HEMT、Si MOSFET體二極管溝道，有電流流過(guò)。Cascode型GaN HEMT漏源電壓是。

施加一個(gè)較大的驅(qū)動(dòng)電壓給Cascode型GaN HEMT，也就是VTH _Si低于 Vds，解決反向?qū)▔航递^多的問(wèn)題。在飽和區(qū)時(shí)，Si MOSFET溝道阻抗很小，處于完全導(dǎo)通的狀態(tài)。Si MOSFET溝道由電流全部流過(guò)。Cascode型GaN HEMT漏源電壓是。

如果Cascode型GaN HEMT的驅(qū)動(dòng)電壓比較小，VTH _Si低于 Vds。在放大區(qū)的Si MOSFET，驅(qū)動(dòng)電壓決定其溝道電阻。如果0>-VF ≥Vds _Si，在體二極管導(dǎo)通Si MOSFET，其漏源電壓被壓降，同時(shí)導(dǎo)通MOSFET溝道、體二極管，并且進(jìn)行分流。Cascode型GaN HEMT漏源電壓是。

2.4 反向恢復(fù)模態(tài)

導(dǎo)通GaN HEMT器件時(shí)，沒(méi)有反向恢復(fù)，因?yàn)樯贁?shù)載流子不存在。反向關(guān)斷Cascode型GaN HEMT，反向恢復(fù)在Si MOSFET體二極管中存在。Cascode型GaN HEMT完全關(guān)斷，需要Si MOSFET壓降-VTH _GaN≤ Vds _Si。

3Cascode型GaN HEMT在單相逆變器中的應(yīng)用

3.1單相逆變器電路拓?fù)?/p>

單相全橋逆變電路拓?fù)湟訡ascode型GaN HEMT為基礎(chǔ)。兩個(gè)半橋由四個(gè)開關(guān)管組成。直流母線支撐電容為CDC。橋臂的中點(diǎn)連接電網(wǎng)，經(jīng)過(guò)濾波網(wǎng)絡(luò)。

3.2建立仿真模型

建立TPH3006 GaNHEMT仿真模型，使用LTSpice仿真軟件，驗(yàn)證單相逆變器電路。輸出功率Po為500W。并網(wǎng)電壓Vac為220V。開關(guān)頻率fs為20kHz。輸入電壓Vdc為380V。 仿真結(jié)果，顯示應(yīng)用Cascode型GaN HEMT，在單相逆變器中的工作情況。在區(qū)間t1-t2內(nèi)，電感電流IL增加，S2、S3的狀態(tài)是正向阻斷，Sl、S4是正向?qū)ā^(qū)間t2-t3內(nèi)，電感電流IL減少，S2、S4的狀態(tài)是正向阻斷，S3是二極管反向續(xù)流，Sl是正向?qū)?。區(qū)間t3-t4內(nèi)，電感電流IL減少，S2、S4的狀態(tài)是正向阻斷，S3是溝道反向續(xù)流，Sl是正向?qū)?。區(qū)間t4-t5內(nèi)，電感電流IL減少，S2、S4的狀態(tài)是正向阻斷，S3是二極管反向續(xù)流，Sl是正向?qū)ā^(qū)間t5-t6內(nèi)，電感電流IL增加，S2、S3的狀態(tài)是正向阻斷，Sl、S4是正向?qū)?。區(qū)間t6-t7內(nèi)，電感電流IL減少，S1、S3的狀態(tài)是正向阻斷，S2是二極管反向續(xù)流，S4是正向?qū)?。區(qū)間t7-t8內(nèi)，電感電流IL減少，S1、S3的狀態(tài)是正向阻斷，S2是反向溝道導(dǎo)通，S4是正向?qū)?。區(qū)間t8-t9內(nèi)，電感電流IL減少，S1、S3的狀態(tài)是正向阻斷，S2是二極管反向續(xù)流，S4是正向?qū)ā７聪蚧謴?fù)過(guò)程在所有開關(guān)管關(guān)斷的過(guò)程中。

3.3單相逆變器的損耗分析

關(guān)斷損耗（Poff）、通態(tài)損耗（Pcon）、開通損耗（Pon）等，都是Cascode型GaN HEMT的損耗。結(jié)溫影響開關(guān)管的通態(tài)阻抗。因此需分析溫度與開關(guān)管的通態(tài)電阻的關(guān)系，才能準(zhǔn)確了解開關(guān)管的損耗。

通常MOSFET體二極管的反向恢復(fù)，在橋臂換流過(guò)程中，對(duì)另一只開關(guān)管的開通電流產(chǎn)生影響。Cascode型GaN HEMT的反向恢復(fù)特性較好，可以忽略對(duì)Cascode型GaN HEMT開通的影響，由此可以獲得平均導(dǎo)通損耗，以及關(guān)斷損耗。開關(guān)一次Cascode型GaN HEMT，在開關(guān)管開通時(shí)，硬開關(guān)條件下，輸出電容儲(chǔ)存的能量放電，將能量釋放。高頻情況下，需要計(jì)算損耗的結(jié)電容。Cascode型GaN HEMT的反向恢復(fù)特性較好，開通損耗、通態(tài)損耗都是需要考慮的損耗，體二極管的關(guān)斷損耗很少，可以忽略。體二極管通態(tài)壓降類似開關(guān)管的通態(tài)損耗，與結(jié)溫、通態(tài)電流存在相關(guān)性。不同通態(tài)電流、結(jié)溫下的情況，依據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)曲線獲取。

以S3和S4的換流過(guò)程為例，在Cascode型GaN HEMT的換流中，關(guān)斷S4，電壓Vds _S4升高，減少二極管反向壓降。S3反向續(xù)流導(dǎo)通，在S4向S3換流時(shí)。開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，換流結(jié)束。GaN HEMT換流速度極快，開關(guān)管決定換流時(shí)間，不用考慮正向恢復(fù)時(shí)間。相比Si MOSFET的開通關(guān)斷速度，Cascode型GaN HEMT更快。Si MOSFET的關(guān)斷損耗是Cascode型GaN HEMT的兩倍，開通損耗Cascode型GaN HEMT的四倍。Si MOSFET的反向恢復(fù)特性不如Cascode型GaN HEMT。不能忽視Si MOSFET的反向恢復(fù)損耗。但可忽略Cascode型GaN HEMT的反向恢復(fù)損耗。隨著溫度的上升，相同溫度下，Si MOSFET IPB60R190C6、TPS3006 GaN HEMT有同樣的導(dǎo)通阻抗。結(jié)溫50℃，額定功率500W時(shí)，Cascode型GaN HEMT效率大約99%，單管總損耗1.23W。Si MOSFET效率大約96.6%，單管損耗4.2W。

4結(jié)論

總之，本文詳細(xì)分析了Cascode型GaN HEMT的輸出伏安特性，并以此探討不同工作模態(tài)條件，以及穩(wěn)態(tài)工作模態(tài)。Cascode型GaN HEMT具有低反向恢復(fù)特性，低開關(guān)損耗，并且開關(guān)速度快，耐高壓，優(yōu)勢(shì)明顯。Cascode型GaN HEMT在單相逆變器中有良好的應(yīng)用。相比Si MOSFET IPB60R190C，Cascode型GaN HEMT效率更高，可以在高壓場(chǎng)合變換器中使用Cascode型GaN HEMT，促進(jìn)變換器效率的提升。

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作者簡(jiǎn)介：曾鴻志（ 1994.06-） 漢族，男， 江蘇南京人， 上海海事大學(xué)物流工程專業(yè) 18級(jí)在讀生碩士研究生， 研究方向：寬禁帶半導(dǎo)體器件開關(guān)特性與應(yīng)用