GAN功率器件在机器人上的应用实践

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来源：硬蛋攻城狮

1 简述

GaN器件当前被称作HEMT(高电子迁移率)，此类高电子迁移率的晶体管应用于诸多电子设备中，如全控型电力开关、高频或。与传统的硅金属氧化物场效应晶体管 () 相比， (GaN) 可提高功率密度和效率，GaN 和 SiC 均具有宽带隙，但它们之间存在根本差异，因此分别适合特定的拓扑和应用。

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GaN HEMT的是：当栅极电压变化时，会在GaN沟道层形成一个电子气，这个电子气会随着栅极电压的变化而移动，形成一个。由于GaN材料的高电子迁移率和高饱和电流密度，GaN HEMT具有更高的开关速度和功率密度。

2 GAN类型

基于GaN的HEMT市面上主要有两种，一种是基于沟道技术的增强型HEMT(e-HEMT)，另一种是级联型HEMT(Cascode HEMT)。相比级联型HEMT，增强型HEMT拥有更低的EMI，无反向恢复损耗，且拥有正的温度特性从而更容易并联使用。下图展示了级联型HEMT结构。

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3 参数

3.1可以通过改变RG控制开关速，

VGSth典型值为1.5V;VG最大额定值为-20/+10V;

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若栅极和源极之间电压小于开启电压，加正压无正向电流，加反压有反向电流但反向压降较大。

3.2 与SI参数对比

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3.3 反向导通特性

DS之间的导通是通过中间的电子层，所以可以双向导通，即常开。

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3.4 E-GAN无体

GAN体内没有寄生二极管即非常小的Trr，在续流方面有很大优势，无反向恢复，Qrr=0，没有PN结。由于 SiC FET 结构中存在体二极管，所以它会出现反向恢复损耗。典型的 SiC FET 有大于 85nC 的反向恢复电荷。

3.5 更快的开关速度

集成器的新一代 GaN 器件开关速度可达 150V/ns，损耗比 SiC 低 82%，比分立式 GaN FET 低 63%。下面图展示了GaN HEMT在硬开关模式下，拥有更快的开通和关断速度：

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3.6 死驱时间

GaN HEMT没有体二极管。GAN器件的反向传导压降与V(GS(OFF))成比例增加。在死区时间内，2DEG的行为就像一个二极管，V(F )= V(TH(GD))+ V(GS(OFF))+ I()* R(SD(ON))。

4 成本

GaN 通过消除有源和无源器件，使用更小、更轻的磁性元件，并降低系统的冷却需求，可实现显著的系统及成本节约。但是，实现的节省远不止这些，GaN 有望进一步降低器件成本，业界对GAN成本评估预测如下图所示。

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5 驱动

5.1 D-mode GAN驱动

按照应用场景差异，GaN需要隔离或非隔离、低边或自举、零伏或负压关断等多种驱动方式，由于按照栅极特性差异，GAN分为常开的耗尽型(D-mode)和常关的增强型(E-mode)。D-mode GaN从常开型变为常关型，主要包括级联(Cascode)和直驱(Direct Drive)两种技术架构;其中，级联型的D-mode GaN更为主流。如下图，级联型的D-mode GaN是通过利用低压Si MOSFET的开关带动整体的开关，从而将常开型变为常关型。

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D-mode GaN最大的优势在于可用传统Si MOS的，以0V/12V电平进行关/开的控制。但需要注意的是，尽管驱动电路和Si MOS相同，但由于级联架构的D-mode GaN的开关频率和速度远高于传统的Si MOS，所以要求驱动IC能够在很高的dv/dt环境下正常工作。

5.2 E-Mode GAN驱动

不同于D-mode GaN通过级联低压Si MOS来实现常关型，E-mode GaN直接对GaN栅极进行p型掺杂来修改能带结构，改变栅极的导通阈值，从而实现常断型器件。根据栅极结构不同，E-mode GaN又分为欧姆接触的电流型和接触的电压型两种技术路线，其中电压型E-mode GaN最为主流。

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GaN/Si MOS/ 不同状态下电流路径

考虑E-mode GaN的以上驱动特性，对和驱动电路的设计一般需要满足：

具备100V/ns以上的CM，以满足高频应用的抗扰能力;

可提供5~6V的驱动电压，并且驱动器最好集成输出级;

驱动器最好有分开的OUTH和OUTL引脚，从而不必通过二极管来区分开通和关断路径，避免了二极管压降造成GaN误导通的风险;

在、大功率应用特别是硬开关拓扑，可以提供负压关断能力;

尽可能小的传输延时和传输延时匹配，从而可以设定更小的死区时间，以减小死区损耗。

在低电压、小功率，或对死区损耗敏感的应用中，一般可使用0V电压关断;但是在高电压、大功率系统中，往往推荐采用负压关断来增强噪声抗扰能力，保证可靠关断。在设计栅极关断的负压时，除了需要考虑GaN本身的栅极耐压能力外，还需要考虑对效率的影响。如下表所示，这是因为E-mode GaN在关断状态下可以实现电流的反向流动即第三象限导通，但是反向导通压降和栅极关断的负压值相关，用于栅极关断的电压越负，反向压降就越大，相应的会带来更大的死区损耗。一般，对于500W以上高压应用，特别是硬开关，推荐-2V~-3V的关断负压。常用的驱动方式有以下2种方案：

1、阻容分压式方案，E-mode GaN可以采用传统的Si MOS驱动器来设计驱动电路，需要通过阻容分压电路做降压处理。

需要、、稳压管设计外围电路，这种驱动方案可以采用普通的Si MOSFET，如下图所示，当驱动开通时，图中Cc与Ra并联后和Rb串联，将驱动供电电压(如10V)进行分压后，为GaN栅极提供6V驱动导通电压，Dz1起到钳位正压的作用;当驱动关断时，Cc电容放电为GaN栅极提供关断负压，Dz2起到钳位负压的作用。

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