在可用于 GaN 晶體管的不同結構中，橫向結構是目前使用最廣泛的。氮化鎵高電子遷移率晶體管 (HEMT)是使用二維電子氣作為晶體管通道的橫向器件。這些器件允許功率電路（例如轉換器）實現高效率和高功率密度。由于具有非常低的特定導通電阻，基于 GaN 的橫向晶體管可以在高開關頻率下工作，從而實現非常緊湊的設計。設計人員通常首選常關晶體管，因為它們可以保證電力電子系統的安全運行。

雖然乍一看似乎比較簡單，但這些器件的柵極驅動器電路需要仔細設計。首先，通常關閉的基于 GaN 的 HEMT 需要負電壓來將其關閉并將其保持在關閉狀態，從而避免意外開啟。這就是為什么此功能通常集成在市場上的商用柵極驅動器中的原因。需要負電壓的另一個原因是 GaN HEMT 晶體管具有非常低的閾值電壓 (1.2–1.5 V)，并且不希望的開啟非常常見，尤其是在布局未優化的情況下。此外，這些器件的最大柵極電壓約為 6.0–6.5 V，因此需要適當的鉗位電路來將該電壓保持在閾值限制以下，從而避免潛在的故障甚至損壞。

ICeGaN技術

Cambridge GaN Devices (CGD) 是一家公司，由首席執行官 Giorgia Longobardi 和首席技術官 Florin Udrea 在劍橋大學進行了近十年的前沿研發后于 2016 年創立。CGD 可以依靠在功率半導體領域擁有廣泛而長期經驗的專業團隊，包括基于 GaN 的器件的設計和可靠性方面。

CGD 業務發展副總裁 Andrea Bricconi 在接受 Power Electronics News 采訪時表示：“我們公司專注于兩個目標：通過提供易于使用的氮化鎵解決方案和可靠的。”

除了開發創新的器件、封裝和電力電子板外，CGD 還領導國際項目，例如 GaNext，這是國際合作的典范。由 CGD 協調的 13 個合作伙伴組成的這個歐洲項目的唯一目標是創建 GaN 功率模塊的原型，以解決低功率和高功率應用。

“今天的 GaN 市場正在蓬勃發展，從 1 kW 以下的消費領域開始。GaNext 項目旨在證明基于 GaN 的功率模塊可以成功構思并應用于各種低功率和高功率應用，例如車載充電器 (OBC)、照明用LED 驅動器、光伏逆變器以及長期的牽引逆變器；最終目標是實現全面的功率密度飛躍，”布里科尼說。

CGD 制定的路線圖預計其基于 GaN 的器件將在 2022 年進入商業化階段，屆時 650-V/750-V 功率晶體管將進入市場。ICeGaN 技術由一個功率晶體管組成，該晶體管具有單片集成的智能接口，用于傳感/保護、易用性和增強的柵極可靠性。憑借 3 V 的閾值電壓，這些增強型單芯片晶體管可以以高達 20 V 的柵極電壓驅動，就像它們是普通的 MOSFET 一樣。為了完成這項任務，CGD 將得到臺積電（全球最大的半導體代工廠）的支持，這對初創公司來說是一大優勢。

根據 Bricconi 的說法，由于其橫向結構，硅上 GaN 比硅和碳化硅提供了更簡單的集成。這反過來又允許設計人員將更多功能（例如多芯片和邏輯）集成到同一芯片中。

CGD的ICeGaN應用示意圖如圖1所示。該技術的優勢可以總結如下：

它支持使用標準 MOSFET 驅動器和/或控制器。

毫不妥協的 GaN 開關性能或 RDS (on)

其他智能功能

應用優化機會

它有DV/DT控制。

它仍然需要由外部 IC 驅動。

圖 1：ICeGaN 應用圖

ICeGaN 技術的目標是將邏輯（圖 1 中的綠框）集成到強大的、最先進的增強型 GaN HEMT 中。這為用戶帶來了兩個好處：

易于使用：CGD 的 GaN HEMT 可以輕松連接到驅動器和控制器。

節省成本：不需要額外的組件、電壓鉗位或昂貴的柵極驅動器。

圖 2 顯示了標準 GaN HEMT 和 ICeGaN HEMT 之間的比較。對于標準 GaN 器件，柵極驅動困難、耗時且成本高昂。此外，柵極電壓被限制在約 6-7 V 的最大值，此后禁區開始。反之，CGD 的 GaN HEMT 具有足夠高的閾值電壓，并且柵極電壓可以擴展到大約 20 V，而不會影響器件的可靠性。

圖 2：I CeGaN 結合了 Cascode 和 eMode 的美感

圖 3：ICeGaN 傳輸特性與標準 eMode

傳統 GaN 器件的平均柵極閾值電壓約為 1.4 V，在關斷狀態下需要 –3 V 的典型柵極源極電壓 (V gs )，在導通狀態下需要介于 4 V 和 6 V 之間。CGD ICeGaN 器件在關斷狀態下要求 V gs為 0 V（內置米勒鉗位），在導通狀態下需要介于 8 V 和 20 V 之間，與任何柵極驅動器和控制器兼容。

正如 Bricconi 所指出的，CGD 認為柵極驅動器的單片集成在低功率方面非常出色，但很難擴展到高功率。

“我們的 ICeGaN 技術使我們能夠添加新功能，例如集成電流感應，”布里科尼說。“用戶可以更換外部檢測電阻，從而將功率器件接地，大大改善冷卻路徑。”

目前，CGD 正致力于消費市場，部分致力于工業市場（功率水平高于 1 kW 的數據通信和電信應用）。前者提供的障礙較少，但給成本帶來了很大壓力。關于汽車，布里科尼說，這個市場的設計周期大約為幾年。“首批配備 GaN 晶體管的汽車將在 2024 年至 2025 年之前問世。

盡管需要高度的可靠性，但事實證明，使用 GaN 可以使 OBC 的功率密度翻倍。

數據通信

Cambridge GaN Devices 宣布啟動 ICeData，該項目由英國商業、能源和工業戰略部 (BEIS) 資助，旨在開發和商業化用于數據中心服務器的高效 GaN 基集成電路 (IC)電源。數據中心目前消耗全球約 2% 的能源，2018 年的年用電量為 400 TWh，預計到本十年末將翻一番。GaN 結合了更高的效率和更高的功率密度，有望節省高達 10% 的投資和運行費用。

該項目的目標是開發GaN功率IC技術，將數據中心服務器電源效率提高到98%以上。IceData 將幫助 CGD 提供專為數據中心和電信服務器的開關模式電源設計的 GaN 解決方案，到 2030 年，這將有助于每年減少超過 8 兆噸的 CO 2 。

CGD 估計，到 2026 年，全球功率 GaN 市場將增長到超過 10 億美元，這主要得益于電動汽車和混合動力汽車對更輕、更高效的電源以及更緊湊、更強大的 OBC 的需求。CGD第一條采用ICeGaN技術的產品線將于2022年上半年發布。


審核編輯：劉清