GaN在近几年的应用发展非常迅速,从最开始的消费电子领域,手机快充充电头,已经拓展到数据中心、光伏、储能,甚至是电动汽车、充电桩等应用。集邦咨询的预测显示,到2026年,全球功率GaN市场规模将会从2022年的1.8亿美元增长至13.3亿美元,年均复合增长率高达65%。
而功率GaN器件从栅极技术路线上,目前有两种主流的方向,包括增强型E-Mode和耗尽型D-Mode。那么这两种技术路线有哪些差异?
耗尽型(D-Mode)GaN器件
D-Mode GaN是一种常开型器件,在没有施加栅极电压时,器件处于导通状态,需要施加负向栅极电压减少沟道中的电子浓度,耗尽沟道电子,从而减小或关闭电流。
在GaN器件中,二维电子气是在GaN和AIGaN层之间的界面上自发形成的,这个二维电子气层具有非常高的电子密度和迁移率,这使得GaN器件能够实现快速的电子传输和低电阻,从而带来高效率和高速开关的性能。而D-Mode GaN保留了这些优势,因此具有极高的开关速度。
由于具备高频开关和低导通电阻的特性,D-Mode GaN适合用于高效率和高频应用,在高功率密度、大功率等应用有很大应用空间,比如在光伏微型逆变器、OBC、充电桩、数据中心电源等。
在实际应用时,常开的D-Mode GaN器件是无法直接使用的,需要通过外围增加元器件,将其变成常关型才能使用。比如快充等应用中,D-Mode GaN器件一般需要串联低压硅MOSFET使用,利用低压硅MOSFET的开关带动整体开关,将常开型变为常关型器件使用。
D-Mode GaN主要包括两种技术架构,分别是级联(Cascode)和直驱(Direct Drive)。前面提到的串联低压硅MOSFET开关带动整体开关就是Cascode的D-Mode GaN架构,这种架构也是目前的主流架构,可靠性更高,在高功率、高电压、大电流应用中用性更高,比如在电动汽车、工业等应用上。
D-Mode GaN的驱动兼容性也更好,比如级联型的D-Mode GaN可以使用与传统硅MOSFET相同的驱动电路,不过由于开关频率和开关速度远远高于硅MOSFET,所以驱动集成电路要求能够在高dv/dt的环境下稳定工作。
目前走D-Mode路线的功率GaN厂商主要有Transphorm、PI、TI、安世、镓未来、华润微(润新微)、能华微、芯冠等。
增强型(E-Mode)GaN器件
增强型GaN是一种常关型器件,在没有施加栅极电压时,器件处于关断状态,不导电;需要施加正向栅极电压来形成导电通道,器件才能导通。
前面提到在GaN器件中,二维电子气是在GaN和AIGaN层之间的界面上自发形成的。为了实现常关型操作,需要在栅极下方引入p型掺杂的GaN层(p-GaN)。这种掺杂创建了一个内置的负偏压,类似于一个小的内置电池,这有助于耗尽2DEG通道,从而实现常关型操作。
增强型GaN可以直接实现0V关断和正压导通,无需损失GaN的导通和开关特性,在硬开关应用中可以有效降低开关损耗和EMI噪声,更适合对故障安全有严格要求的低功率到中等功率应用,例如DC-DC变换器、LED驱动器、充电器等。
在应用中,由于E-Mode GaN是常关型器件,使用方式可以与传统的硅MOSFET类似,但需要复杂的外围电路设计。如果要直驱,需要匹配专用的GaN驱动IC。比如纳芯微的E-mode GaN专用高压半桥栅极驱动器NSD2621、英飞凌的GaN EiceDRIVER系列高侧栅极驱动器等。
不过E-Mode GaN器件也有缺点,首先因为需要控制二维电子气来实现常关特性,这可能会影响器件的动态性能,在开关速度上可能不如D-Mode器件。同时在热管理方面,E-Mode GaN导通电阻随温度变化而增加,所以在高功率应用中需要更加可靠的散热设计。E-Mode GaN器件的栅极还可能存在稳定性和漏电流的问题,可能会影响器件的可靠性和性能。
目前走E-Mode路线的功率GaN厂商主要有英飞凌(GaN Systems)、EPC、英诺赛科、纳微半导体、松下、量芯微。
E-Mode和D-Mode如何选择?
在实际应用中,如何选择E-Mode或D-Mode的GaN器件?从前面对两种形式的GaN器件的分析,可以根据实际应用的需求,从几个方面来进行选择。
首先是对系统的安全要求,如果应用需要故障安全操作,常关型的E-MODE GaN是更好的选择;而常开型的D-Mode GaN,在系统可以通过外部控制实现安全操作时则更加适合,因为D-Mode GaN可以提供更快的开关速度和更高的频率、更低的损耗。
在高频应用中,D-Mode相对更有优势,同时其低导通电阻和高速开关的特性,在散热受限的场景,或是需要高效率转换的场景会有更好表现。
在驱动电路上,由于E-Mode GaN是常闭型器件,驱动电路会较为简单,D-Mode GaN则需要相对更复杂的电路设计。同样,如果是在现有的系统上进行升级集成,那么E-Mode使用方式和特性与传统硅MOSFET较为类似也会是一个优势。
在工业或汽车等环境较为恶劣的应用中,D-Mode在高温和高压环境下可靠性和寿命会更高,更适合于这些应用场景。