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

和傳統(tǒng)的硅功率半導(dǎo)體相比，GaN（氮化鎵）和 SiC（碳化硅）有著更高的電壓能力、更快的開關(guān)速度、更高的工作溫度、更低導(dǎo)通電阻、功率耗散小、能效高等共同的優(yōu)異的性能 , 是近幾年來新興的半導(dǎo)體材料。但他們也存在著各自不同的特性，簡單來說，GaN 的開關(guān)速度比 SiC 快，SiC 工作電壓比 GaN 更高。GaN 的寄生參數(shù)極小，開關(guān)速度極高，比較適合高頻應(yīng)用，例如：電動汽車的 DC-DC（直流 - 直流）轉(zhuǎn)換電路、OBC（車載充電）、低功率開關(guān)電源以及蜂窩基站功率放大器、雷達(dá)、衛(wèi)星發(fā)射器和通用射頻放大器等；SiC MOSFET（金屬 - 氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管）的高壓高電流的能力以及易驅(qū)動特性，使其適合于大功率且高效的各類應(yīng)用，例如：列車逆變器系統(tǒng)，工業(yè)電源、太陽能逆變器和 UPS（不間斷電源）高性能開關(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(dǎo)體技術(shù)統(tǒng)括部技術(shù)企劃部 高級經(jīng)理

東芝作為 SiC 和 GaN 產(chǎn)品早期研究開發(fā)者者之一，擁有自己獨(dú)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，低損耗特性滿足了工業(yè)設(shè)備對提高效率、減小尺寸的需求，適合于軌道車輛的逆變器和轉(zhuǎn)換器、可再生能源發(fā)電系統(tǒng)、電機(jī)控制設(shè)備、高頻 DC-DC 轉(zhuǎn)換器等應(yīng)用場景。在 GaN 方面，今年 1 月 31 日東芝發(fā)布了首個集成于半橋（HB）模塊的分流式MOS電流傳感器。當(dāng)其用于氮化鎵（GaN）功率器件等器件時，該傳感器可使電力電子系統(tǒng)具有很高的電流監(jiān)測精度，但功率損耗不會增加，并有助于減小此類系統(tǒng)和電子設(shè)備的尺寸。

全球推行碳中和，需要更高效的電子設(shè)備，尤其是小型的系統(tǒng)。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(cè)，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，也會降低的精度，因?yàn)檫@取決于分流電阻。雖然現(xiàn)今的技術(shù)可實(shí)現(xiàn)高精度電流傳感器，但卻無法降低損耗。東芝的新技術(shù)采用級聯(lián)共源共柵，將低壓 MOSFET 與 GaN 場效應(yīng)晶體管相連用于電流傳感，因此無需使用分流電阻，避免其產(chǎn)生功耗。此外，電路優(yōu)化和尖端校準(zhǔn)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 不僅提高了開關(guān)頻率，還縮小了電容器和電感器的尺寸有助于電子設(shè)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(tǒng)的共源共柵器件有較大的不同，由于共源共柵型依靠硅 MOSFET 來驅(qū)動 GaN HEMT，因此通常很難通過外部柵極電阻控制其開關(guān)速度。然而，東芝通過推出具有直接?xùn)艠O驅(qū)動的器件解決了這一問題，驅(qū)動 IC 可直接驅(qū)動 GaN HEMT，可像硅功率器件一樣，改變其開關(guān)速度，進(jìn)而有助于簡化功率電子系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)。這種新型共源共柵器件的另一個優(yōu)點(diǎn)是，由于 GaN HEMT 柵極是獨(dú)立控制的，因此新器件不會因外部電壓波動引起的硅MOSFET電壓變化而導(dǎo)致誤導(dǎo)通，從而有助于系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。所以該新器件具有電源應(yīng)用所需的可靠性，該產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的運(yùn)行并簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，能夠有效降低因誤導(dǎo)通而造成開關(guān)期間產(chǎn)生額外能量損失的風(fēng)險(xiǎn)，并可像硅一樣，輕松調(diào)節(jié)開關(guān)速度，這是電力電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需考慮的重要因素。

(注：本文轉(zhuǎn)載自《電子產(chǎn)品世界》2022年7月期)