低成本Si基GaN微电子学的新进展(续)_李永.pdf
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1、=DOI:1013290/jcnkibdtjs202303001March2023Semiconductor Technology Vol48 No3177低成本 Si 基 GaN 微电子学的新进展(续)李永1,赵正平2,3(1 中国电子科技集团公司 第十三研究所,石家庄050051;2 中国电子科技集团公司,北京100846;3 专用集成电路重点实验室,石家庄050051)摘要:进入 21 世纪后,宽禁带半导体 GaN 微电子学发展迅速,SiC 基 GaN 微电子学已成为微波电子学的发展主流,且正在向更高频率和更高功率密度的新一代 GaN 微波功率器件发展。为了降低成本,Si 基 GaN 微
2、电子学应运而生,在 5G 通信、电动汽车等绿色能源应用发展的带动下,Si 基 GaN 微电子学已进入产业化快速发展阶段。介绍了 Si 基 GaN 微电子学在射频 Si 基 GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)新器件结构、工艺与可靠性,Si 基 GaN HEMT 单片微波集成电路(MMIC),Si 基 E 模功率 GaN HEMT 结构设计,大尺寸 Si 基 GaN HEMT 工艺,Si 基 GaN 功率开关器件的可靠性,Si 基 GaN 功率变换器的单片集成和高频开关 Si 基 GaN 器件的应用创新等工程化、产业化方面的最新技术进展。分析和评价了低成本 Si 基 GaN 微电子学工程化和产业
3、化的发展态势。关键词:Si 基 GaN 高电子迁移率晶体管(HEMT);单片微波集成电路(MMIC);E 模功率GaN HEMT;可靠性;GaN 功率变换器;高频开关应用中图分类号:TN303文献标识码:A文章编号:1003353X(2023)03017713New Progress in Low Cost Si-Based GaN Microelectronics(Continued)Li Yong1,Zhao Zhengping2,3(1 The 13thResearch Institute,CETC,Shijiazhuang 050051,China;2 China Electronic
4、s Technology Co,Ltd,Beijing 100846,China;3 Science and Technology on ASIC Laboratory,Shijiazhuang 050051,China)Abstract:After entering the 21stcentury,the wide band gap semiconductor GaN microelectronicshas developed rapidly SiC-based GaN microelectronics has become the mainstream of microwave elec-
5、tronics,and is developing to a new generation of GaN microwave power devices with higher frequencyand higher power density In order to reduce the cost,Si-based GaN microelectronics comes into beingDriven by the application and development of 5G communication,electric vehicles and other greenenergy,S
6、i-based GaN microelectronics has entered the rapid development stage of industrialization Thelatest technological progress in engineering and industrialization of Si-based GaN microelectronics is intro-duced,including the new device structure,process and reliability of RF Si-based GaN high electronm
7、obility transistor(HEMT),Si-based GaN HEMT monolithic microwave integrated circuit(MMIC),the structure design of Si-based E-mode power GaN HEMT,the large size Si-based GaN HEMT process,the reliability of Si-based GaN power switching devices,the monolithic integration of Si-based GaN powerconverters,
8、and application innovation of Si-based GaN devices for high-frequency switching Thedevelopment trend of engineering and industrialization of low cost Si-based GaN microelectronics engi-neering is analyzed and evaluatedKeywords:Si-based GaN high electron mobility transistor(HEMT);monolithic microwave
9、李永等:低成本 Si 基 GaN 微电子学的新进展(续)=178半导体技术第 48 卷第 3 期2023 年 3 月integrated circuit(MMIC);E-mode power GaN HEMT;reliability;GaN power converter;high-frequency switching applicationEEACC:25603高频开关 Si 基 GaN器件的应用创新在电力电子领域,Si 基 GaN 功率开关器件的重要特点之一是能在高频率下开关,为此,需在适应 GaN 功率开关应用方面进行技术创新,主要包括 3 个方面:栅极驱动电路、短路保护电路和各类拓扑
10、结构应用分析,总体向提高应用可靠性、系统效率和功率性能的方向发展。在栅极驱动电路方面的创新有:低阈值电压、高 dv/dt、共模瞬态抑制(CMTI)的栅极驱动器、直接栅极驱动器,用于电压均衡的闭环电流源栅极驱动器。在短路保护电路方面的创新有:基于电流微分传感的快速短路检测与保护方法。在 GaN HEMT 应用发展的综述有:在电气化交通领域中的现状与未来趋势,采用 Si变换器设计技术以增强系统性能,基于宽禁带半导体(WBG)发展的 11 种功率 DC/DC 变换器拓扑结构。在 Si 基 GaN HEMT 拓扑结构方面的技术创新有:具有 2类逆变器和 DE 级整流器的谐振DC/DC 转换器,同步巴克
11、升压变换器,巴克变换器中的空载时间优化,高频 GaN HEMT 和低频 Si二极管的图腾柱 PFC 变换器,4.5 kW 单相逆变器,混合两级 GaN-Si 逆变器,GaN 半桥的交叉电导的诊断,考虑动态导通电阻的 GaN 基硬开关半桥电路的功耗建模,GaN 基全桥变换器,动态频率位移控制的容错 LLC 拓扑,车载充电器用 GaN+Si 混合开关模块,板载充电的 GaN HEMT 建模,采用 GaN 开关的锂离子电池均衡电路和电动汽车的功率模块的液冷热阻研究等。GaN HEMT 能够在高频率下开关,然而,更高的运行速度将导致电路系统产生更大的损耗,包括半导体器件的开关损耗和磁性元件的损耗。此外
12、,低阈值电压可增大在开关时振铃所造成的高频触发误开启的可能性。2020 年,W.R.Lin 等人90 报道了 GaN HEMT 在高频应用中的栅极驱动器技术与解决方案。研究结果表明,E 模 GaN HEMT 对栅极驱动器的要求不同于共源共栅级 HEMT。当选择栅极驱动器时,低阈值电压、高 dv/dt、CMTI 是关键参数。模拟结果表明,由于具有较低的栅电荷及克服了 Si MOSFET 的缺点,E 模 HEMT 比共源共栅HEMT 对快速瞬态速度具有更好的响应。因此,E模 HEMT 是在高速运行应用中更好的候选方案。在采用紧凑系统、零电压开关(ZVS)系统的高频开关应用中,如 LLC 谐振变换器
13、提供了有效的控制拓扑以抑制变换损耗增加。在共源共栅 GaNHEMT 中,稳定的节点间电压(INV)对避免 GaNHEMT 在 ZVS 的开启瞬态被关断是很重要的。同年,T.Sugiyama 等人91 报道了通过直接栅极驱动实现共源共栅 GaN HEMT 稳定工作。该研究介绍了 GaN HEMT 和 Si MOSFET 栅终端可以独立控制共源共栅 GaN 功率器件的工作,其中配置了一个高可靠的常开 GaN HEMT。通过优化场板结构,该GaN HEMT 的预测寿命超过了 1 000 年(VDS=500 V,150)。稳定接地的 INV 允许在零电压开关的开启瞬态期间稳定运行以及抑制非零电压开关的
14、损耗。此外,因为在开关期间 Si MOSFET 总处于开态,没有反向恢复电荷(Qrr)的损耗。因此,该共源共栅器件充分利用了常开 GaN HEMT 高速开关和没有 Qrr的特性,使该共源共栅 GaN 器件适用于 LLC 谐振型 DC/DC 变换器以及其他零电压开关的应用。商用 GaN 功率器件由于是横向结构,其额定电压限于 600 V/650 V。叠加低压开关是一种适应更高直流母线电压的有效方法。然而,即使在全匹配栅极驱动器中也会存在不平衡电压的共享和半导体器件到地的位移电流。因此,低压开关会遭受电压击穿。2021 年,Z.D.Zhang 等人92 报道了一种用于串联 GaN HEMT 的电压
15、均衡的具有有源栅极电流控制的闭环电流源栅极驱动器。该闭环电流源栅极驱动器可解决不平衡的动态电压共享问题。额外的补偿电流被有源注入到开关栅极以抵消器件到地的位移电流带来的电压不平衡。与传统的基于电压源栅极驱动器的有源栅控制方法相比,由于直接控制开关栅极电流,该电流源栅极驱动器调整了开关的断开时间,使 dv/dt 更加精准。与此同时,由于可以调整补偿电流的脉冲宽度和幅度,该有源栅极电流的控制更灵活,可适应不同的工作条件。此李永等:低成本 Si 基 GaN 微电子学的新进展(续)=March2023Semiconductor Technology Vol48 No3179外,由于没有采用缓冲器电路或
16、额外的米勒电容,GaN 器件的开关速度和开关能耗不受影响。通过采用该栅极驱动器和电压平衡方案,在软开关和硬开关场景下都可以获得平衡电压共享。建立了一个串联 GaN 基多脉冲试验器(MPT)以证明该方法在不同负载和不同开关速度(dv/dt)条件下的有效性。对于 Si 功 率 器 件,已 开 发 出 强 大 的 短 路(SC)检测和保护方法,宽禁带半导体 GaN HEMT功率器件则需要新的保护方法。事实上,GaNHEMT 的抗 SC 强度远低于 Si 同类。此外,高开关速度的 GaN 器件需要特别注意开关单元的设计。为了充分利用这种器件的优点,减小寄生电感是一个关键。在短路期间到达峰值电流之前,低
17、开关回路电感会导致短瞬态(在几 ns 内达几百 A),使得所采用的一些 SC 检测方法不适 用。2021 年,J.L.Lesl 等人93 报道了一种基于电流导数传感的宽带隙器件短路快速检测与保护方法。该方法将磁通传感器集成在印刷电路板中,并被功率磁道所包围,以确保良好的耦合,并呈现屏蔽效果。这种方法避免了采用侵入式电流传感器,会减小对开关单元的影响。来自 Rogowski 线圈的电压相应地控制一个 npn 晶体管下拉栅极缓冲器的共基极连接。根据电路的 di/dt 能力设计了一个滤波器以避免开启时的误触发。然而,一旦 SC 发生,短路期间的电流微分将足够强,甚至在检测之前就将栅极电压拉低,该设计
18、方法旨在限制峰值电流。该检测电路由附加 RC 滤波器和快速比较器组成。实验在 400 V/30 A和室温下进行,测试结果表明,可在 20 ns 内检测到短路,比已报道文献给出的方法快了 3 倍。针对保护部分对无闭环下拉式 MOSFET 和有闭环下拉式 MOSFET 两种电路设计进行了评估。无闭环下拉式 MOSFET 电路结构的主要缺点是在采取任何行动到结束 SC 事件之前,必须穿过绝缘势垒两次,其保护延迟时间为 60 ns,对应的栅极电压要通过零电压点。在改进的有闭环下拉式 MOSFET电路结构中,通过 SC 检测触发栅极,无需穿过绝缘势垒。因此,其保护延迟时间可缩短至 50 ns。实验结果显
19、示了所提出方法的有效性。进一步必须进行的研究是确定温度、栅极电阻和/或开关单元的寄生电感对保护电路的影响。随着 GaN 晶体管越来越成熟,GaN 器件的制造厂家越来越多,预计 GaN 基逆变器的成本优势将继续增强。2020 年,N.Keshmiri 等人94 综述了GaN HEMT 技术在电气化交通领域中的现状与未来趋势。GaN 技术具有开关频率高,功率密度高,击穿电压高等特点,成为该领域合适的候选者。GaN 和 SiC 与 Si 相比具有更快速的开关变换,允许设计较小的无源部件,从而产生更小和更轻的系统。与 Si 和 SiC 相比,GaN 的零反向恢复电荷支持开发更有效的系统。然而,采用 G
20、aN HEMT 也存在高电磁干扰(EMI)和高成本的挑战。世界顶级半导体公司正在进行广泛的研究,将发布下一代高性能 GaN 晶体管。在不久的将来,随着 GaN 器件的量产,其成本的降低将促进采用 GaN 技术设计具有更高性能的电气化交通媒介。SiC MOSFET和 GaN HEMT 在电气化运输的应用包括:电动汽车中的一级充电器(110 V/15 A)、二级板载充电器(240 V/32 A)、DC/DC 变换器/辅助功率模块(400 V12 V)、逆变器(225 kW/800 V)、自动驾驶的机载激光扫描(6 V/130 mA)、无线充电(220 240 V);多电飞机(MEA)中的功率系统(
21、35 kW/98%变 换 效 率)和 DC/DC 变 换 器(20 kW,610 V/28 V);多电船(MES)中的能量管理系统(550 V,800 V);火车中的 DC/DC 变换器(9160 V12、24、28、48 和 53 V);重型和越野车中的电池(24 V/20 A)和 DC/DC 变换器(220 800 V12、24 和48 V)。由于 SiC 器件和GaN 相比,具有较高的工作电压和电流能力、更低的成本、更高的成熟度和可靠性,未来 SiCMOSFET 有望在电动汽车、MEA 和 MES 中得到广泛应用。采用 GaN 技术可以在效率、热性能和系统尺寸等方面改善系统的性能。已经证
22、明 GaN 基系统设计可用于各种电压和功率水平及多类拓扑结构的系统。将现有 Si 基设计迁移到 GaN 通常涉及优化PCB 布局和栅极驱动电路、功率损耗的表征和建模、快速过电流保护以及热性能考虑。此外还需要理 解 其 关 键 参 数 和 可 靠 性 标 准。2020 年,E.A.Jones 等人95 报道了采用 GaN 技术设计变换器以提高系统性能。GaN 功率晶体管代表了功率变换器设计的新前沿,具有 Si 所不能达到的提高系统效率和功率密度的能力。通过技术改进和应用解决方案已经解决 GaN 基变换器设计所面临的最李永等:低成本 Si 基 GaN 微电子学的新进展(续)=180半导体技术第 4
23、8 卷第 3 期2023 年 3 月初挑战。采用 GaN 的第一个应用示例是 LLC DC/DC 变换器。该变换器工作在更高的开关频率,可显著降低磁损耗,而仍然具有较低的与开关相关的器件损耗。因此,尽管所采用的 GaN 器件具有更高的额定电压和导通电阻,功率损耗仍降低了25%。采用 GaN 的第2 个例子是积木式变换器中的硬开关。由于 GaN 更快的开关速度和在变换器电路一侧的更低的输出电容和无反向恢复电荷,在达到热极限之前,变换器的输出功率提高了 40%,功率损耗降低了 22%。第 3 个例子是图腾柱 PFC中的硬开关。在经典 PFC 中采用 GaN FET 直接替换 Si MOSFET 可
24、改善效率,特别是,由于更低的开关相关电荷,在轻载情况下效果更为显著。然而,通过采用 GaN 基图腾柱 PFC 拓扑可以获得更大的优势,功率损耗可降低 45%,在满载的情况下可降低 25%。在过去的 10 年里,由于 DC/DC 功率变换器从航天到可再生能源增加了许多应用,从而吸引了大量的关注。对 WBG 功率器件的关注是由于其材料的优异特性,该功率器件比 Si 器件可工作在更高的温度、更大击穿电压、维持更大的开关瞬态。因此,最近变换器拓扑的进步和发展大多是基于宽禁带功率器件。2021 年,M.Parvez 等人96 报道了电力应用的宽禁带 DC/DC 变换器的拓扑结构。DC/DC 变换器拓扑结
25、构常用于可再生能源、高压直流、中压直流、航空航天、汽车以及许多其他行业。近年来基于 WBG 发展的功率 DC/DC 变换器拓扑结构有:GaN FET 和 SiC SBD 的升压变换器,基于 GaN HEMT 的软开关类 2变换器,临界电流模式(CRM)双向巴克升压变换器,E 模 GaN 双异质结构 FET 升压变换器,采用 GaN-HFET 的电感功率变换零电压开关变换器,GaN 隔离 FB 变换器,用于无刷直流电机的 GaN HB 谐振变换器,非隔离 DC/DC 降压变换器,基于 SiC 肖特基/GaNE 模 HEMT 的 DC/DC ZETA 变换器,基于 SiC 级联功率器件的交错 DC
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