控制电路确保内部栅极驱动器符合 e-mode 器件规格，并允许标准外部栅极驱动器，例如用于硅 MOSFET 或 IGBT 功率器件的驱动器。即使在零栅极关断偏置和快速开关转换时，集成米勒钳位也能提供动态保护和强大的寄生导通抗扰度。 在 PCIM 2024 上，CGD 推出了更高功率的 P2 系列 ICeGaN 器件。 P2 产品的通态电阻 (R DS(on) ) 规格为 25 mΩ 和 55 mΩ，额定电流分别为 60 A 和 27 A。这些器件可实现多千瓦运行，具有许多优点，非常适合数据中心电源装置等应用。 与 SiC 在 PFC 应用中的比较 功耗超过 75 W 的线路电源连接电气设备通常需要功率因数校正 (PFC)。 PFC 是功率转换的阶段，对整体系统效率和功率密度具有重大影响。硬开关连续导通模式 PFC 通常用于较高功率级别 (>1 kW)。使用碳化硅肖特基二极管和超结硅 MOSFET 组合的双升压 PFC 在过去几年中提高了效率。这些改进已稳定在 98%。与双升压 PFC 相比，图 1 所示的无桥图腾柱 (BTP) 拓扑将有源器件数量从 6 个减少到 4 个，所需电感器从 2 个减少到 1 个，并且还提高了使用时的效率和功率密度。宽带隙半导体。在图1所示的BTP电路中，Q1和Q2构成高速桥臂，而Q3和Q4构成低速桥臂。 BTP 电路的主要优点是使用 WBG FET 进行高速开关。传统硅 MOSFET 的体二极管具有高反向恢复电荷 (Q rr )，这会导致高功率损耗以及开关转换期间击穿损坏的风险。
图 1：典型 BTP PFC 电路原理图 在 BTP 高速 PFC 开关中使用 SiC MOSFET 与 GaN HEMT之间可以进行以下比较： 单极增强型 GaN HEMT 的 Q rr为零。与类似额定值的 SiC MOSFET 相比，GaN HEMT产生的净输出电荷 (Q oss ) 要小得多。此外，SiC MOSFET 中的 Q rr /Q oss在较高温度下急剧增加，而 GaN HEMT 则保持相对平坦。在使用 GaN HEMT 的硬开关应用中，较低的 Q oss意味着更低的导通损耗。 对于类似的 R DS(on)额定器件，GaN HEMT 的栅极电荷和米勒栅漏极电荷要低得多。这些有助于降低开关和栅极驱动损耗并实现更快的开关。更快的开关反过来又可以使用更小的磁性元件，从而提高系统功率密度。在某种程度上，更高的频率还可以导致更低的净无源损耗，因为铜损的减少超过了磁芯损耗的增加。可以使用更小的 EMI 滤波器。由于 GaN 的开关损耗与频率相对平坦，因此功率转换效率和密度之间的权衡更为有利。由于较小的开关损耗，GaN 相对于 SiC 的相对功率损耗优势在较高开关频率下得到放大，并且可以克服 GaN 在较高温度下较高的传导损耗，这可能是由于其 R DS(on)较高的正温度系数造成的。 垂直 SiC MOSFET 在比电阻（ R DS(on) ×芯片面积）指标方面确实具有优势，这相当于每晶圆数量更高的芯片。然而，SiC 较高的衬底成本弥补了这一点。鉴于硅基 GaN 晶圆厂加工与大直径硅晶圆和 CMOS 晶圆厂加工更加兼容，长期趋势预示着 GaN 具有成本优势。现有 CMOS 晶圆厂设备的折旧可能是其中的一个关键因素。 虽然标准 e 模式分立 GaN 提供有限的栅极过驱动能力和低阈值电压，但这需要定制栅极驱动器和预防措施来防止寄生导通。 ICeGaN 通过上述集成方法解决了这个问题，该方法可实现强大的栅极驱动，类似于 SiC MOSFET 所需的驱动器。 ICeGaN 上的集成米勒钳位可在外部瞬态和快速开关事件期间提供强大的抗寄生导通能力。 e-mode GaN 确实存在一些固有的局限性，例如短路耐受时间短、缺乏雪崩能力以及与 SiC 相比导热系数较低。需要做出基于应用程序的决策来确定这些因素是否至关重要。 CGD 对其 GaN 器件和SiC MOSFET在 BPT PFC 应用中的使用进行了比较研究。 2.5kW PFC 的直流输出为 400V，开关频率为 65kHz。在 25mΩ R DS(on)下，ICeGaN 与 SiC 器件相比，效率提高了约 0.2%。本研究中使用的两个 ICeGaN 器件采用底部冷却 BHDFN 封装以及顶部冷却配置中使用的双面冷却 DHDFN。在满负载时，ICeGaN 的器件损耗降低了 4W。
强大的开关性能 许多 SiC MOSFET 都需要负关断栅极驱动，特别是在高 dV/dt 开关条件下，以降低击穿风险。例如，当低侧 FET 关闭而高侧 FET 刚刚开启时，就会发生这种情况，通过低速米勒电容将其 dV DS /dt 转换耦合到低速 FET 的栅极上，然后将就可以了。振荡和振铃会增加这种风险。图 3 显示了 SiC MOSFET、ICeGaN 和分立 e 模式 GaN HEMT 在相同栅极电阻条件下的开关波形比较。 SiC MOSFET 和分立式 GaN HEMT 中出现漏极电压振铃和过冲，而 ICeGaN 则呈现出干净的波形。这一优势可以转化为使用更简单的栅极驱动器、减少开关损耗并提高可靠性。
图 4 突出显示了 ICeGaN 接口的优点。这项研究由弗吉尼亚理工大学的一个小组进行，使芯片的外部栅极节点在 3 MHz 的开关频率下承受高振铃。即使外部峰值栅极电压为 45V，内部节点也被钳位至 7V 的安全工作电压。 即使在高开关频率和 ICeGaN 外部栅极节点振铃的情况下，也能提供强大的内部栅极保护。
图 4：即使在高开关频率和 ICeGaN 外部栅极节点振铃的情况下，也能提供强大的内部栅极保护（来源：Cambridge GaN Devices） 热性能改进 GaN HEMT 使用户能够以高开关频率和转换速率运行应用。在这些条件下，板级寄生效应的化可能是一个重要的要求。当热散热器路径与开关节点位于同一平面上时，很难通过限制快速开关漏极节点与地之间的电容耦合来降低共模噪声。使用顶部冷却可以避免电气和热管理之间的冲突。电通路和热通路可以分开，从而实现的设备性能。 P2 ICeGaN 产品上的新 DHDFN 封装选项可实现顶部、底部或双面冷却的灵活性。
