周德金，何寧業(yè)，寧仁霞，許 媛，徐 宏，陳珍海,，黃 偉，盧紅亮

（1.復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院，上海 200443；2.清華大學(xué)無錫應(yīng)用技術(shù)研究院，江蘇無錫 214072；3.黃山學(xué)院智能微系統(tǒng)安徽省工程技術(shù)研究中心，安徽黃山 245041；4.桂林電子科技大學(xué)廣西精密導(dǎo)航技術(shù)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西桂林 541004)

1 引言

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，硅（Si）功率金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管（MOSFET）的性能已達(dá)到Si 材料的理論極限。近年來，氮化鎵（GaN）材料器件發(fā)展迅速，作為近二十年興起的新一代半導(dǎo)體材料，具備很多性能優(yōu)勢。GaN 材料的物理特性相比于Si 材料具有禁帶寬度寬、熔點(diǎn)高（耐高溫、抗輻射）、擊穿場強(qiáng)高、耐高壓、電子飽和漂移速度快（高頻率工作）、熱導(dǎo)率高等優(yōu)點(diǎn)，使得GaN 器件更適于工作在高溫、高壓和高頻的應(yīng)用場合[1-3]。

GaN 高電子遷移率晶體管（HEMT）作為GaN 功率器件的主流器件，其開關(guān)損耗與傳導(dǎo)損耗相比硅MOSFET 器件都具有顯著優(yōu)勢，因此其驅(qū)動應(yīng)用技術(shù)成為了研究熱點(diǎn)[4-7]。由于GaN HEMT 器件特性與硅基MOSFET 有較大差異，其柵驅(qū)動無法直接使用現(xiàn)有硅基MOSFET 的柵驅(qū)動芯片技術(shù)，因此如何設(shè)計(jì)高性能柵驅(qū)動芯片使之充分發(fā)揮GaN HEMT 器件的高頻和高效優(yōu)勢，成為近年來學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的研究熱點(diǎn)。本文介紹了GaN HEMT 器件的特性和驅(qū)動要求，對GaN HEMT 器件柵驅(qū)動芯片的典型架構(gòu)和關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，此外還介紹了GaN 基單片集成功率IC 的發(fā)展?fàn)顩r，對GaN HEMT 器件的柵驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展趨勢進(jìn)行了概括總結(jié)。

2 GaN HEMT 器件特性及典型柵驅(qū)動芯片架構(gòu)

2.1 GaN HEMT 器件特性及其驅(qū)動要求

由于GaN 在材料性能上的優(yōu)勢，使GaN 器件在應(yīng)用中具備很多優(yōu)異的性能：1）耐壓程度高，能夠?qū)崿F(xiàn)同等電壓下器件材料尺寸的縮小，替代硅器件需要串聯(lián)實(shí)現(xiàn)高耐壓的應(yīng)用，在高壓應(yīng)用中提供更好的性能；2）在GaN 中可以利用異質(zhì)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)二維電子氣，提高載流子遷移率并調(diào)整其濃度，從而降低導(dǎo)通電阻和寄生電容，提高工作頻率；3）禁帶寬度大，材料穩(wěn)定，有利于實(shí)現(xiàn)高溫工作。

目前市場上GaN 晶體管可分為耗盡型和增強(qiáng)型兩種。早期的GaN 晶體管大多為耗盡型，這種類型的GaN 晶體管表現(xiàn)為常通特性，需要在柵源間加負(fù)壓才能將其關(guān)斷。由于其驅(qū)動電壓的電平與常規(guī)驅(qū)動芯片的電平不兼容，造成其應(yīng)用不便。增強(qiáng)型GaN 晶體管表現(xiàn)為常關(guān)特性，當(dāng)柵源間為高電平時(shí)，開關(guān)管開通；當(dāng)柵源間為低電平時(shí)，開關(guān)管關(guān)斷。其驅(qū)動電壓的電平與常規(guī)驅(qū)動芯片的電平相兼容。考慮到關(guān)斷安全以及在實(shí)際應(yīng)用中與目前各類系統(tǒng)相兼容等問題，常關(guān)增強(qiáng)型HEMT 器件具有更好的應(yīng)用前景。

對于增強(qiáng)型HEMT 器件的實(shí)現(xiàn)，目前比較典型的實(shí)現(xiàn)方式為耗盡型GaN HEMT 與硅基低壓增強(qiáng)型MOSFET 封裝組成的級聯(lián)共源共柵（Cascode）器件和改變GaN HEMT 閾值電壓極性而實(shí)現(xiàn)的E 型（單體增強(qiáng)型）GaN HEMT 器件，后者又包括p 型柵GaN HEMT 器件和絕緣柵結(jié)構(gòu)GaN HEMT 器件2 種類型。首款Cascode GaN HEMT 器件由美國Transphrom 公司在2013 年推出，主要包括600 V 與650 V 2 種電壓等級，已實(shí)現(xiàn)多個商業(yè)化應(yīng)用案例。對于單體增強(qiáng)型GaN HEMT 器件，目前已有多家公司可以提供p 型柵常關(guān)型GaN 晶體管產(chǎn)品，比如EPC、GaN system、Infineon、Panasonic 等公司。其中，EPC 公司最早實(shí)現(xiàn)了p 型柵結(jié)構(gòu)的商業(yè)化產(chǎn)品，主要為中低壓系列，有15～200 V 多個電壓等級；Infineon 公司近兩年也推出了650 V 系列化p 型柵結(jié)構(gòu)GaN HEMT 產(chǎn)品。絕緣柵結(jié)構(gòu)GaN HEMT 器件目前仍然處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，還未有公司推出成熟產(chǎn)品。

Cascode GaN HEMT 可保證較快的開關(guān)速度，且驅(qū)動電平與常規(guī)MOSFET 一致，應(yīng)用門檻相對更低。然而，由于其級聯(lián)了低壓Si MOSFET，在開關(guān)管關(guān)斷時(shí)存在反向恢復(fù)損耗，限制了開關(guān)頻率的進(jìn)一步提高，使得Cascode 型GaN 晶體管的開關(guān)頻率被限制在0.3～1 MHz。單體增強(qiáng)型GaN 晶體管則可以充分發(fā)揮GaN 器件的速度優(yōu)勢，具有如下優(yōu)點(diǎn)：1)晶體管的柵極電荷Qg極低，有利于減小驅(qū)動損耗；2)晶體管不存在體二極管，其反向恢復(fù)電荷為零，不存在反向恢復(fù)問題[8-9]。但是，單體GaN 晶體管的驅(qū)動應(yīng)用相對復(fù)雜，無法直接使用現(xiàn)有硅基MOSFET 的柵驅(qū)動芯片技術(shù)，需要專門設(shè)計(jì)的柵驅(qū)動電路。

與硅基MOSFET 的柵驅(qū)動芯片技術(shù)相比，單體GaN HEMT 柵驅(qū)動電路有如下幾個方面的特殊要求：1）GaN HEMT 開關(guān)頻率較現(xiàn)有硅基器件相比要提高10～100 倍，對芯片內(nèi)部高低壓電路之間隔離區(qū)信號傳輸電路的延時(shí)提出了極為苛刻的要求，為此需要設(shè)計(jì)超高速隔離區(qū)信號傳輸技術(shù)和芯片架構(gòu)；2）GaN HEMT 柵極電壓通常不超過6 V，對應(yīng)的驅(qū)動電壓范圍較窄，且閥值電壓較低，為此驅(qū)動電路的輸出驅(qū)動電壓需要具備更高精度，抗干擾要求更高；3）在高頻應(yīng)用場合，驅(qū)動回路中的寄生電感與柵源極結(jié)電容諧振，會導(dǎo)致驅(qū)動電壓上存在高頻振蕩，可能造成晶體管的誤觸發(fā)，甚至擊穿晶體管的柵源極，為此需要設(shè)計(jì)合適的保護(hù)電路；4）GaN HEMT 高頻工作引起的dV/dt和dI/dt，會引起非常大的EMI 輻射問題，驅(qū)動電路的電磁兼容問題更為嚴(yán)峻；5）GaN HEMT 的工作不存在體二極管的反向恢復(fù)過程，但在死區(qū)時(shí)間內(nèi)會帶來額外的效率損失，需要精確設(shè)置死區(qū)時(shí)間。

2.2 GaN HEMT 高壓柵驅(qū)動芯片典型架構(gòu)

高壓柵驅(qū)動芯片用于滿足CPU 控制器輸出接口提供的小功率電平信號和大功率輸出器件柵驅(qū)動所需要高壓大電流信號之間轉(zhuǎn)換驅(qū)動的需求。最典型應(yīng)用為橋式變換器，主要包含半橋式變換器與全橋式變換器兩種類型，因此柵驅(qū)動IC 的最典型架構(gòu)需求為半橋柵驅(qū)動電路?；诖耍疚膶τ贕aN 柵驅(qū)動IC 的技術(shù)介紹以半橋柵驅(qū)動IC 架構(gòu)為代表。

半橋柵驅(qū)動IC 的基本功能如圖1 所示。CPU 輸出的脈寬調(diào)制數(shù)字信號PWMH/L 經(jīng)柵驅(qū)動IC 處理得到高/低側(cè)兩路驅(qū)動信號HO 和LO，2 個信號基本為反相信號，并且存在一定的死區(qū)時(shí)間。當(dāng)高側(cè)驅(qū)動信號為高時(shí)，高側(cè)功率開關(guān)導(dǎo)通，低側(cè)驅(qū)動信號此時(shí)為低；當(dāng)高側(cè)驅(qū)動信號由高變低時(shí)，高側(cè)開關(guān)器件由于電荷存儲時(shí)間過長并不會立刻關(guān)斷，因此低側(cè)驅(qū)動信號繼續(xù)保持一段時(shí)間為低后才變成高，這時(shí)低側(cè)開關(guān)器件才導(dǎo)通。圖1 中CPU 控制器輸出的控制信號PWMH/L 為典型的低壓小電流弱電信號，而半橋變換器輸出驅(qū)動的電機(jī)為典型高壓大電流的強(qiáng)電信號。在典型600 V（VH）整機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，半橋輸出OUT 的電壓為地或者600 V，當(dāng)OUT 為600 V 時(shí)，要實(shí)現(xiàn)高側(cè)開關(guān)MH 的開啟和關(guān)閉，則柵驅(qū)動IC 高側(cè)輸出HO 控制電壓必須浮動到600 V+VCC，而低側(cè)輸出控制電壓最高仍為VCC，所以高/低側(cè)輸出電壓最大值之間存在VH的壓差。

圖1 半橋柵驅(qū)動IC 的基本功能示意

可以看出，柵驅(qū)動IC 在整機(jī)系統(tǒng)中的核心功能為將CPU 控制器輸出的小功率電平信號(1 mA/3～5 V)轉(zhuǎn)換為大功率器件柵驅(qū)動所需要的高壓大電流信號（0.5～5 A/5～20 V），將輸出電流和輸出電壓擺幅進(jìn)行放大，因此可以得到典型半橋柵驅(qū)動IC 系統(tǒng)框架如圖2所示。半橋柵驅(qū)動IC 內(nèi)部包括：輸入接口模塊，用于接收外部輸入的CMOS/TTL 電平PWMH/L 信號，并將其由外部邏輯電平信號轉(zhuǎn)換為芯片內(nèi)部VCC為高電平的內(nèi)部邏輯電平信號；死區(qū)時(shí)間模塊，用于在高/低側(cè)輸出信號之間產(chǎn)生一定的死區(qū)保護(hù)時(shí)間，以保證任何時(shí)刻芯片高/低側(cè)輸出控制不同時(shí)導(dǎo)通；高/低側(cè)輸出驅(qū)動模塊，主要起到電流放大功能，分別用于提供具有大電流驅(qū)動能力的HO/LO 輸出信號；保護(hù)電路模塊用于對芯片的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，以避免異常情況對輸出控制對象造成損壞，典型保護(hù)電路有欠壓保護(hù)、過壓保護(hù)和過流保護(hù)等；高壓隔離模塊用于對芯片內(nèi)部處理高/低側(cè)信號的電路之間進(jìn)行電氣隔離；由于高壓和低壓區(qū)電路之間還必須進(jìn)行信號連接，因此芯片內(nèi)必須有負(fù)責(zé)隔離區(qū)兩側(cè)之間信號傳輸功能的隔離區(qū)信號傳輸模塊；基礎(chǔ)單元模塊用于為上述所有電路模塊提供輔助支撐功能。

圖2 半橋柵驅(qū)動IC 的基本系統(tǒng)框架

由于功率器件的應(yīng)用場景存在很大差異，例如VH可以從40 V 跨度到6500 V，電流從幾安培跨度到上百安培，開關(guān)頻率從幾千赫茲跨度到幾十兆赫茲，因此不同的應(yīng)用場景對于柵驅(qū)動IC 的性能和成本要求完全不同，其內(nèi)部電路功能模塊所采用的電路結(jié)構(gòu)和性能完全不同，導(dǎo)致柵驅(qū)動IC 產(chǎn)品類別繁多，多達(dá)數(shù)百種?？偟膩碚f，對于柵驅(qū)動IC 產(chǎn)品性能，其主要決定因素的參數(shù)為應(yīng)用場景的高壓VH大小，VH大小直接決定了芯片內(nèi)部高/低側(cè)信號電路之間的電氣隔離等級。而在芯片內(nèi)部實(shí)現(xiàn)不同等級的電氣隔離功能模塊，所需要采用的電路器件技術(shù)和成本質(zhì)量等級存在較大差異。因此，對于柵驅(qū)動IC 產(chǎn)品技術(shù)路線的劃分，通常根據(jù)其采用的高壓電氣隔離技術(shù)進(jìn)行歸類。目前常用的幾種隔離技術(shù)所實(shí)現(xiàn)的柵驅(qū)動IC 產(chǎn)品的特性對比如表1 所示。

表1 不同技術(shù)路線柵驅(qū)動IC 產(chǎn)品特性對比

用于柵驅(qū)動IC 的高壓電氣隔離技術(shù)主要有單片集成隔離技術(shù)和絕緣隔離技術(shù)兩大類。其中，單片集成的隔離技術(shù)主要為PN 結(jié)隔離和SOI 隔離技術(shù)，SOI隔離技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)1200 V 的單片集成柵驅(qū)動IC 產(chǎn)品，但單片集成具體實(shí)現(xiàn)時(shí)高低壓電路隔離區(qū)域之間的信號傳輸必須借助高壓電平移位電路；絕緣隔離技術(shù)將高低壓信號處理電路在物理空間上隔離開，可實(shí)現(xiàn)超過6500 V 的超高壓電氣隔離，但是該技術(shù)實(shí)現(xiàn)柵驅(qū)動IC 產(chǎn)品必須采用芯片組封裝集成，具體實(shí)現(xiàn)時(shí)可采用變壓器、電容或光電耦合進(jìn)行高低壓電路之間隔離區(qū)的信號傳輸。

縱觀近年來學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界GaN 半橋柵驅(qū)動IC的實(shí)現(xiàn)方案，200 V 以下的應(yīng)用場景基本采用單片集成的電平移位電路和PN 結(jié)隔離技術(shù)實(shí)現(xiàn)，學(xué)術(shù)界每年都有大量的研究成果[10-17]，產(chǎn)業(yè)界已有公司采用該方案推出了兆赫茲以上系列化產(chǎn)品[18-19]，最典型的應(yīng)用場景為服務(wù)器電源和車載等功率密度要求較高的領(lǐng)域；600 V 以上的GaN HEMT 應(yīng)用場景基本采用絕緣隔離技術(shù)實(shí)現(xiàn)，學(xué)術(shù)界的研究成果相對較少，產(chǎn)業(yè)界多家公司已分別采用電容和變壓器隔離技術(shù)推出了速度超過兆赫茲以上的系列化產(chǎn)品[20-21]，典型應(yīng)用場景為高功率密度AC/DC 電源。近年來隨著GaN 器件工藝的進(jìn)步，還出現(xiàn)了基于GaN 工藝的單片集成GaN 功率IC[26-30]，將功率GaN HEMT 和簡單的驅(qū)動電路進(jìn)行了單片集成，實(shí)現(xiàn)了超高速的GaN 功率IC 和應(yīng)用系統(tǒng)，但是該類技術(shù)的成熟度還有待提升，單片集成IC的電路功能和系統(tǒng)集成度還很低。

3 單片集成GaNHEMT 柵驅(qū)動芯片研究進(jìn)展

3.1 單片集成GaN HEMT 柵驅(qū)動芯片架構(gòu)

單片集成GaN 半橋柵驅(qū)動IC 的典型芯片架構(gòu)如圖3 所示，內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)圖從功能上劃分，主要包括控制模塊、驅(qū)動模塊和保護(hù)模塊。控制模塊主要包含接口電路、死區(qū)產(chǎn)生電路、中壓電平移位電路及延遲電路；驅(qū)動模塊主要包括高壓電平移位電路和高/低側(cè)輸出驅(qū)動模塊，高/低側(cè)輸出驅(qū)動模塊電路結(jié)構(gòu)通常相同；保護(hù)模塊通常包括過流保護(hù)電路、欠壓封鎖電路和錯誤邏輯電路。圖3 所述電路的速度和耐壓限制主要瓶頸在于高壓電平移位電路，因此如何在不降低耐壓要求的條件下最大程度上提升高壓電平移位電路的速度，使之滿足GaN HEMT 器件的高速驅(qū)動要求是當(dāng)前GaN 半橋柵驅(qū)動IC 研究的一大熱點(diǎn)。GaN 驅(qū)動IC 速度提升還會帶來穩(wěn)定性和EMI 問題，為此針對GaN 器件的輸出驅(qū)動和保護(hù)技術(shù)也是GaN 半橋柵驅(qū)動IC 研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域?？偟膩碚f，針對GaN 半橋柵驅(qū)動IC 的研究主要體現(xiàn)在速度提升、可靠性提高和低干擾等幾大方向。

3.2 單片集成GaN HEMT 柵驅(qū)動芯片關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 自舉電容集成技術(shù)

為從最大程度上提升GaN 半橋柵驅(qū)動IC 的驅(qū)動速度，近年出現(xiàn)的一種設(shè)計(jì)思路是將傳統(tǒng)半橋柵驅(qū)動IC 外部高側(cè)橋臂所使用的自舉電容進(jìn)行片內(nèi)集成，從而減小整體驅(qū)動電路的信號延遲環(huán)路。文獻(xiàn)[10-12]針對汽車動力系統(tǒng)需求，使用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了40 V 電壓條件下最高頻率達(dá)30 MHz、驅(qū)動電流為1 A 的GaN HEMT 半橋柵驅(qū)動IC?；谧耘e電容集成技術(shù)的GaN HEMT 驅(qū)動IC 如圖4 所示[11]，文獻(xiàn)綜合采用了高精度死區(qū)時(shí)間動態(tài)控制、超高速預(yù)驅(qū)動高壓電平移位電路、大容量片上電容、輸出控制電壓有源鉗位電路和EMI 擴(kuò)頻消減等多項(xiàng)技術(shù)以實(shí)現(xiàn)上述指標(biāo)。文獻(xiàn)[13] 采用類似技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了輸出驅(qū)動電流達(dá)1.3 A 的GaN HEMT 柵驅(qū)動IC，電路延遲小于10 ns，集成片上自舉電容達(dá)到600 pF。

圖3 典型單片集成GaN 半橋驅(qū)動IC 電路結(jié)構(gòu)

圖4 基于自舉電容集成技術(shù)的GaN HEMT 驅(qū)動IC[11]

3.2.2 高壓電平移位電路速度提升技術(shù)

高壓電平移位電路是半橋驅(qū)動芯片的關(guān)鍵電路。一種最基本的高壓電平移位電路如圖5 所示，該電路被廣泛應(yīng)用于各家公司的MOSFET 驅(qū)動IC 設(shè)計(jì)中。從結(jié)構(gòu)上看，高壓電平移位電路非常簡單，主要由2 個耐壓管LDMOS、2 個電阻和脈沖濾波電路構(gòu)成，輸入信號IN 是高低電平分別為VCC和COM 的中低壓邏輯信號，輸出信號OUT 是高低電平分別為VB和VS的高壓信號，電路通常采用差分信號傳輸，抑制共模干擾。由于VS為浮動電壓，最高為半橋輸出高壓VH，所以2 個M1 和M2 管必須為耐高壓的LDMOS。然而，由于LDMOS 漏極寄生電容的存在，由此對高壓電平移位電路產(chǎn)生了很大的延時(shí)。另外，由于電路應(yīng)用環(huán)境存在巨大的電壓波動和干擾，各自干擾的濾除是該電路需要保證的另外一個關(guān)鍵。為了進(jìn)一步完善其性能，低延時(shí)、高可靠性和低功耗成為目前各大廠商和研究機(jī)構(gòu)對高壓電平移位電路的改進(jìn)方向。

圖5 基本高壓電平移位電路

文獻(xiàn)[10-14]為實(shí)現(xiàn)超高速高壓電平移位電路，在圖5 所示基本結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上使用了擺率增強(qiáng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了超過10 MHz 的信號轉(zhuǎn)換，具體原理為低電平向高電平轉(zhuǎn)變過程中加入額外電流，從而加速輸出信號翻轉(zhuǎn)。圖6 為擺率增強(qiáng)的高壓電平移位電路結(jié)構(gòu)圖，其在圖5 的基礎(chǔ)上將簡單的RS 觸發(fā)器改進(jìn)為高可靠的誤差遲滯過濾電路，新增了加速LSP 和LSN 上升速度的增強(qiáng)晶體管Me1 和Me2，以及控制Me1 和Me2的信號翻轉(zhuǎn)檢測電路。當(dāng)信號翻轉(zhuǎn)檢測電路確認(rèn)Din是由低轉(zhuǎn)高并且Din 電壓超過信號翻轉(zhuǎn)檢測電路的閾值時(shí)，信號翻轉(zhuǎn)檢測電路開啟速度增強(qiáng)晶體管Me2，加速LSP 的電壓上升速度，從而加速Din 上升到高壓電源VH+VCC的電壓上升過程。

圖6 擺率增強(qiáng)的高壓電平移位電路

3.2.3 多電平輸出驅(qū)動技術(shù)

由于GaN HEMT 開啟和關(guān)斷過程對于環(huán)路阻尼系數(shù)的需求不同，針對充放電時(shí)存在的不同驅(qū)動能力，可通過區(qū)別設(shè)置驅(qū)動輸出柵極上拉和下拉電阻來解決。此外，為了保證p-GaN HEMT 關(guān)斷時(shí)將柵PN結(jié)反偏抽取達(dá)到充分關(guān)斷，通常在關(guān)斷過程中要有一個“負(fù)壓”以保證GaN HEMT 器件的充分關(guān)斷。為實(shí)現(xiàn)上述功能，當(dāng)前比較常用的措施為多電平控制技術(shù)，對GaN HEMT 的開啟和關(guān)閉分別提供不同的驅(qū)動電流。圖7（a）和圖7（b）為典型三電平驅(qū)動技術(shù)，通過限制開啟電流的方式，實(shí)現(xiàn)整體過沖控制，該技術(shù)的典型產(chǎn)品為TI 公司的LM5113。為實(shí)現(xiàn)GaN 器件的最優(yōu)化控制，Infineon 公司還在現(xiàn)有三電平控制技術(shù)的基礎(chǔ)上提出了四電平驅(qū)動控制，通過在開關(guān)關(guān)斷區(qū)間內(nèi)增加一個電平的方式加速開關(guān)的動態(tài)性能，圖7（d）所示是四電平柵控制技術(shù)信號示意波形圖。

3.2.4 EMI 消除技術(shù)

GaN HEMT 器件在高頻應(yīng)用背景下會引入很大的dI/dt，產(chǎn)生高頻的EMI 輻射，干擾周圍敏感元器件的工作。文獻(xiàn)[16]在減小傳導(dǎo)EMI 輻射方面，通過擴(kuò)頻技術(shù)減小開關(guān)頻率及倍頻處的能量峰值，如圖8 所示。通過在PWM 信號產(chǎn)生電路的振蕩器上加載一個頻率較輸入信號頻率高得多的偽隨機(jī)抖動信號，實(shí)現(xiàn)EMI信號的調(diào)制和能量幅值平坦化。為抑制上管開啟時(shí)引入的電流和電壓尖峰，文獻(xiàn)[12]通過分段斜率控制的方法開啟上功率管，最大限度優(yōu)化高頻EMI 干擾。

3.2.5 死區(qū)時(shí)間控制技術(shù)

GaN HEMT 器件雖然沒有體二極管的反向恢復(fù)過程，但在死區(qū)時(shí)間內(nèi)相表現(xiàn)出更高的導(dǎo)通壓降，會帶來額外的效率損失。此外，如果死區(qū)時(shí)間設(shè)置不合理，半橋輸出電容的充放電帶來的損耗也必須考慮。文獻(xiàn)[12,17]給出一種適用于GaN 半橋驅(qū)動器的自適應(yīng)死區(qū)控制策略。電路通過采樣負(fù)載電流和輸入電壓，對死區(qū)產(chǎn)生電路的充電電流進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)死區(qū)時(shí)間的自適應(yīng)調(diào)整。文獻(xiàn)[15]更是采用數(shù)字控制策略，對GaN 驅(qū)動器的死區(qū)時(shí)間及其他特性進(jìn)行優(yōu)化控制（見圖9）。

4 絕緣隔離GaNHEMT 柵驅(qū)動芯片研究進(jìn)展

4.1 絕緣隔離GaN HEMT 柵驅(qū)動芯片架構(gòu)

圖7 GaN HEMT 器件多電平驅(qū)動技術(shù)

圖8 擴(kuò)頻技術(shù)及擴(kuò)頻示意圖[16]

圖9 數(shù)字控制GaN 半橋柵驅(qū)動IC[15]

對于超過600 V 的GaN 柵驅(qū)動IC 產(chǎn)品，國際主流廠商均采用絕緣隔離技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。該技術(shù)將高低壓信號處理電路在物理空間上隔離開，但是該技術(shù)實(shí)現(xiàn)柵驅(qū)動IC 產(chǎn)品必須采用芯片組封裝集成，具體實(shí)現(xiàn)時(shí)可采用變壓器或電容進(jìn)行高低壓電路之間隔離區(qū)的信號傳輸。在產(chǎn)業(yè)界，Infineon 公司最新推出的650 V GaN HEMT 驅(qū)動GaN Eice DRIVERTM產(chǎn)品1EDS5673即采用變壓器磁耦合隔離技術(shù)[20]，TI 公司最新推出的UCC21220 高壓GaN HEMT 半橋柵驅(qū)動器即采用電容電荷耦合隔離技術(shù)[21]；學(xué)術(shù)界中，文獻(xiàn)[22-25]分別就采用絕緣隔離技術(shù)的GaN HEMT 半橋柵驅(qū)動芯片的系統(tǒng)架構(gòu)和關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)行了研究。

圖10 典型絕緣隔離GaN 柵驅(qū)動IC

圖10（a）為英飛凌1EDS5673K GaN HEMT 柵驅(qū)動器的內(nèi)部功能系統(tǒng)框圖和典型應(yīng)用方案?？梢钥闯鲵?qū)動器由1 個輸入信號接收芯片和2 顆相同的輸出驅(qū)動芯片通過集成封裝而來。輸入信號接收芯片的基本功能包括信號輸入、死區(qū)時(shí)間、欠壓保護(hù)和數(shù)據(jù)發(fā)送模塊；2 顆輸出驅(qū)動芯片基本功能包括信號驅(qū)動輸出、欠壓保護(hù)和數(shù)據(jù)接收模塊；3 顆芯片之間設(shè)置了高壓隔離區(qū)，輸入信號接收芯片與2 顆輸出驅(qū)動芯片之間的隔離區(qū)采用相同且耐高壓的變壓器組進(jìn)行信號傳輸。與前文所述的電平移位型單片集成驅(qū)動器芯片相比，變壓器隔離型柵驅(qū)動器中，高側(cè)高壓電路區(qū)與低壓區(qū)之間的信號傳輸不使用高壓電平移位電路。因此芯片組所使用的3 顆芯片均不需要使用耐壓為VH的高壓器件，只需耐壓VCC的中壓器件即可，所以其對應(yīng)的加工工藝只需VCC電壓的BCD 工藝即可，并且低壓器件可以工作在更高的開關(guān)頻率。圖10（b）為TI 公司UCC21220 半橋柵驅(qū)動器的內(nèi)部功能系統(tǒng)框圖?？梢钥闯鲈擈?qū)動器總體架構(gòu)和變壓器隔離柵驅(qū)動器類似，主要差異在于輸入信號接收芯片與2 顆輸出驅(qū)動芯片之間采用耐高壓的電容器進(jìn)行信號傳輸，與之對應(yīng)的高壓電容兩端信號發(fā)送和接收電路實(shí)現(xiàn)方式也存在差異。

4.2 絕緣隔離GaN HEMT 柵驅(qū)動芯片關(guān)鍵技術(shù)

4.2.1 絕緣隔離信號傳輸技術(shù)

高壓絕緣隔離通常采用變壓器隔離和電容隔離2種架構(gòu)，2 種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)。變壓器隔離使用片上電感構(gòu)成變壓器進(jìn)行隔離通訊，既可以傳輸數(shù)據(jù)也可以傳輸能量，但是片上電感占用的面積很大而且抗磁場干擾能力較弱。電容隔離使用片上電容進(jìn)行隔離通訊，占用面積小，抗磁場干擾能力強(qiáng)，但是很難傳輸功率。高壓絕緣隔離區(qū)兩側(cè)的信號傳輸主要利用調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)。較早的技術(shù)有模擬調(diào)整解調(diào)技術(shù)（包括調(diào)幅及調(diào)頻），目前產(chǎn)業(yè)界新一代產(chǎn)品均采用數(shù)字調(diào)整技術(shù)。

為提高信號發(fā)送鏈路的抗干擾能力，發(fā)射機(jī)到接收機(jī)的高頻信號通路設(shè)計(jì)為全差分架構(gòu)，以達(dá)到最佳的共模抑制能力。例如UCC21220 內(nèi)部采用全差數(shù)字FSK 調(diào)制。發(fā)射機(jī)對輸入信號的電平進(jìn)行采樣，若輸入高電平則將載波傳送過隔離屏障，若輸入低電平則沒有能量傳遞給接收機(jī)，接收機(jī)采用頻率檢波的方式對信號進(jìn)行解調(diào)。這種調(diào)制方式的特點(diǎn)是中等的靜態(tài)功耗，對信號電平敏感，不需要實(shí)時(shí)刷新電路，抗干擾能力較強(qiáng)。文獻(xiàn)[25]提出一種基于UWB 技術(shù)的雙向絕緣隔離信號傳輸技術(shù)；文獻(xiàn)[26]提出一種同時(shí)采用調(diào)幅和調(diào)頻技術(shù)、共享一個傳輸電感的信號傳輸技術(shù)，如圖11 所示，最大程度減少了芯片面積開銷。

圖11 絕緣隔離區(qū)雙向傳輸技術(shù)[26]

4.2.2 高壓電感/電容實(shí)現(xiàn)技術(shù)

集成變壓器和電容隔離兩類隔離方式均通過在物理空間上將高壓區(qū)和低壓區(qū)進(jìn)行隔離。區(qū)別之處在于變壓器隔離通過高壓變壓器的電感耦合方式實(shí)現(xiàn)隔離區(qū)兩側(cè)的有效信號傳輸，而電容隔離則通過高壓電容的電荷耦合實(shí)現(xiàn)隔離區(qū)兩側(cè)的有效信號傳輸。信號傳輸均通過集成在同一顆芯片中不同金屬層的高壓電感/電容耦合方式實(shí)現(xiàn)在物理隔離區(qū)之間的信號傳輸，2 個高壓電感/電容極板分別由芯片的頂層金屬和底層金屬實(shí)現(xiàn)。

英飛凌公司為實(shí)現(xiàn)高壓隔離變壓器結(jié)構(gòu)，將變壓器的初級側(cè)和二次側(cè)分別采用不同金屬層的電感實(shí)現(xiàn)，通常采用頂層金屬和M2 兩層金屬實(shí)現(xiàn)變壓器的初級側(cè)和二次側(cè)。TI 公司電容隔離系統(tǒng)中常用的高壓電容結(jié)構(gòu)將最底層金屬作為電容下極板，將最頂層金屬作為電容上極板，中間的SiO2作為隔離柵的隔離介質(zhì)。文獻(xiàn)[22-24]也采用CMOS 工藝，研究了不同結(jié)構(gòu)片上集成變壓器的特性。

5 GaN 基單片集成功率IC 研究進(jìn)展

目前實(shí)現(xiàn)單片集成柵驅(qū)動芯片的主要工藝平臺為BCD 工藝，為實(shí)現(xiàn)高低壓隔離，必須使用高壓電平移位電路，其中核心就是高耐壓LDMOS 管。而高耐壓LDMOS 管的寄生電容和開啟特性和耐壓極其相關(guān)，導(dǎo)致高耐壓的高壓電平移位電路無法實(shí)現(xiàn)超高速信號傳輸，因此采用該技術(shù)只能實(shí)現(xiàn)中低壓的單片集成GaN 器件高速驅(qū)動芯片。GaN 器件的突出優(yōu)勢就是超高開關(guān)速度，采用BCD 工藝實(shí)現(xiàn)的高壓驅(qū)動芯片的開關(guān)速度還難以發(fā)揮出其最佳性能，為此近年來提出一些采用GaN 材料將GaN HEMT 器件、電阻、電容等進(jìn)行單片集成的柵驅(qū)動芯片解決方案，從而實(shí)現(xiàn)高壓GaN 器件的超高速驅(qū)動，發(fā)揮GaN HEMT 器件的最大優(yōu)勢[27-30]。

在產(chǎn)業(yè)界，Navitas 公司實(shí)現(xiàn)了一種面向650 V 應(yīng)用的GaN 單片功率IC，如圖12（a）所示[27]。該電路包括預(yù)驅(qū)動電路和650 V 的高壓HEMT，在簡單BOOST 系統(tǒng)中無需驅(qū)動電路，在半橋驅(qū)動系統(tǒng)中還需要使用常規(guī)半橋驅(qū)動IC，該GaN 功率IC 可以實(shí)現(xiàn)超過20 MHz 的開關(guān)速度。圖12（b）為Pansonic 公司報(bào)道的另外一種GaN 單片功率IC，實(shí)現(xiàn)了GaN 功率HEMT 和半橋功率電路的單片集成[28]。學(xué)術(shù)界，文獻(xiàn)[31-35]報(bào)道了幾種GaN 基模擬和數(shù)字功能電路。國內(nèi)電子科技大學(xué)張波團(tuán)隊(duì)在GaN 單片功率IC 方面也開展了不少研究工作，2019 年報(bào)道了一種GaN 基DC/DC 控制器IC，可實(shí)現(xiàn)24 V 的電壓變換[36]。該GaN單片功率IC 集成的GaN 功能電路包括PWM 信號產(chǎn)生電路、比較器電路、反饋和保護(hù)電路，如圖12（c）所示?？傮w來說，當(dāng)前GaN 功率IC 的系統(tǒng)集成度還遠(yuǎn)未達(dá)到硅基工藝的成熟度，有很大研究空間。

圖12 典型GaN 基單片集成功率IC

6 結(jié)論

本文介紹了GaN HEMT 的器件特性和驅(qū)動要求，對其柵驅(qū)動芯片的典型架構(gòu)和每種芯片架構(gòu)各自的關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)技術(shù)研究現(xiàn)狀、GaN 基單片集成功率IC 的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行了綜述。目前增強(qiáng)型GaN 器件柵驅(qū)動芯片技術(shù)成熟度尚未達(dá)到硅基功率器件驅(qū)動芯片的水平，總體來說沿著高頻化、高可靠性、低干擾、高效率和智能化等方向發(fā)展。依照技術(shù)路線來劃分，中低壓（200 V 以下）GaN HEMT 柵驅(qū)動芯片主要采用電平移位結(jié)構(gòu)；高壓（600 V 以上）柵驅(qū)動芯片主要采用絕緣隔離驅(qū)動方案。采用GaN 基材料集成的驅(qū)動芯片可以實(shí)現(xiàn)最佳的速度特性，但是目前集成度太低，因此有著巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>