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基于双栅器件技术的p-GaN功率HEMT单片集成双向栅极ESD保护方案
Monolithically Integrated Bidirectional Gate ESD Protection Scheme of p-GaN Power HEMT by Dual-Gate Device Technology
| 作者 | Yanfeng Ma · Sheng Li · Mingfei Li · Weihao Lu · Lixi Wang · Jie Ma |
| 期刊 | IEEE Transactions on Power Electronics |
| 出版日期 | 2024年11月 |
| 技术分类 | 电动汽车驱动 |
| 技术标签 | GaN器件 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | p-GaN功率HEMTs 双向栅静电放电保护方案 双栅HEMT 传输线脉冲失效电流 面积节省 |
语言:
中文摘要
本文提出了一种用于 p - 氮化镓（p - GaN）功率高电子迁移率晶体管（HEMT）的单片集成双向栅极静电放电保护方案，其中双栅极 HEMT 被设计为放电晶体管。采用该保护方案后，正向/反向传输线脉冲失效电流从 0.156 A/0.08 A 提高到 1.36 A/5.26 A，且几乎不牺牲 p - GaN 功率 HEMT 的性能。由于双栅极器件通过共享漂移区具备双向开关特性，该方案仅需一个放电晶体管；因此，与具有相同保护能力的现有方案相比，该保护方案的面积可有效节省 40.8%。
English Abstract
This letter proposes a monolithically integrated bidirectional gate electrostatic discharge protection scheme for p-GaN power high-electron-mobility transistors (HEMTs), in which a dual-gate HEMT is designed as the discharging transistor. With this protection scheme, the forward/reverse transmission line pulsing failure current is enhanced from 0.156 A/0.08 A to 1.36 A/5.26 A, almost without sacrificing performances of the p-GaN power HEMT. Thanks to the bidirectional switching characteristics of the dual-gate device by sharing the drift region, only one discharging transistor is required in the scheme; as a result, the area of this protection scheme can be effectively saved by 40.8% compared to state-of-the-art scheme with the same protection capability.
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SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，这项p-GaN功率HEMT的双向栅极静电放电（ESD）保护技术具有重要的战略价值。GaN功率器件因其高频、高效、高功率密度特性，正成为光伏逆变器和储能变流器等核心产品实现小型化、轻量化的关键技术路径。
该技术通过双栅结构实现单管双向保护，将正向/反向TLP失效电流分别提升至1.36A/5.26A，相比传统方案提升近8倍和65倍，这意味着GaN器件在面对雷击、电网瞬态等恶劣工况时的可靠性显著增强。对于阳光电源在户外光伏电站和分布式储能系统的应用场景，这种鲁棒性提升直接关系到产品的长期稳定性和维护成本。更重要的是，该方案在几乎不牺牲器件性能的前提下，通过共享漂移区实现40.8%的芯片面积节省，这对提升功率密度和降低系统成本具有直接价值。
从技术成熟度评估，该方案采用单片集成设计，与现有p-GaN HEMT工艺兼容性好，具备较快的产业化潜力。但需关注几个挑战：一是双栅器件在高频开关应用中的动态特性验证，二是量产工艺的良率控制，三是在实际逆变器拓扑中与驱动电路的协同优化。
对阳光电源而言，这项技术为下一代高功率密度逆变器和储能PCS产品提供了差异化竞争优势的可能。建议与相关科研机构建立合作，推动该技术在1500V高压光伏系统和大功率储能变流器中的应用验证，同时评估其在车载OBC等新兴业务领域的拓展潜力。