東芝級聯共源共柵技術解決GaN應用痛點

黃文源

和傳統的硅功率半導體相比，GaN（氮化鎵）和SiC（碳化硅）有著更高的電壓能力、更快的開關速度、更高的工作溫度、更低導通電阻、功率耗散小、能效高等共同的優異的性能，是近幾年來新興的半導體材料。但他們也存在著各自不同的特性，簡單來說，GaN

的開關速度比SiC快，SiC工作電壓比GaN更高。GaN的寄生參數極小，開關速度極高，比較適合高頻應用，例如：電動汽車的DC-DC（直流-直流）轉換電路、OBC （車載充電）、低功率開關電源以及蜂窩基站功率放大器、雷達、衛星發射器和通用射頻放大器等;SiC MOSFET（金屬-氧化物半導體場效應晶體管）的高壓高電流的能力以及易驅動特性，使其適合于大功率且高效的各類應用，例如：列車逆變器系統，工業電源、太陽能逆變器和UPS（不間斷電源）高性能開關電源等等，可以大大提升效率，功率密度等性能。

東芝作為SiC和GaN產品早期研究開發者者之一，擁有自己獨特的SiC和GaN產品技術。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設備對提高效率、減小尺寸的需求，適合于軌道車輛的逆變器和轉換器、可再生能源發電系統、電機控制設備、高頻DC-DC轉換器等應用場景。在GaN方面，今年1月31日東芝發布了首個集成于半橋（HB）模塊的分流式MOS電流傳感器。當其用于氮化鎵（GaN）功率器件等器件時，該傳感器可使電力電子系統具有很高的電流監測精度，但功率損耗不會增加，并有助于減小此類系統和電子設備的尺寸。

全球推行碳中和，需要更高效的電子設備，尤其是小型的系統。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，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，因為這取決于分流電阻。雖然現今的技術可實現高精度電流傳感器，但卻無法降低損耗。東芝的新技術采用級聯共源共柵，將低壓MOSFET與GaN場效應晶體管相連用于電流傳感，因此無需使用分流電阻，避免其產生功耗。此外，電路優化和尖端校準技術可保證10 MHz以上的帶寬，可提高產品性能及測量精度。集成到半橋模塊的這款新型IC不僅提高了開關頻率，還縮小了電容器和電感器的尺寸有助于電子設備的小型化。

另外，就GaN器件技術而言，東芝的新型GaN共源共柵器件與傳統的共源共柵器件有較大的不同，由于共源共棚型依靠硅MOSFET來驅動GaN HEMT，因此通常很難通過外部柵極電阻控制其開關速度。然而，東芝通過推出具有直接柵極驅動的器件解決了這一問題，驅動IC可直接驅動GaN HEMT，可像硅功率器件一樣，改變其開關速度，進而有助于簡化功率電子系統的總體設計。這種新型共源共柵器件的另一個優點是，由于GaN HEMT柵極是獨立控制的，因此新器件不會因外部電壓波動引起的硅MOSFET電壓變化而導致誤導通，從而有助于系統穩定運行。所以該新器件具有電源應用所需的可靠性，該產品實現了穩定的運行并簡化了系統設計，能夠有效降低因誤導通而造成開關期間產生額外能量損失的風險，并可像硅一樣，輕松調節開關速度，這是電力電子系統設計中需考慮的重要因素。