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功率器件技术 GaN器件 ★ 5.0

通过多功能单片保护电路提高GaN功率HEMT的稳定性

Stability Improvement of GaN Power HEMT by a Multifunctional Monolithic Protection Circuit

作者 Qihao Song · Xin Yang · Bixuan Wang · Everest Litchford · Yi Sun · Pengju Kong
期刊 IEEE Transactions on Power Electronics
出版日期 2024年12月
技术分类 功率器件技术
技术标签 GaN器件
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 GaN HEMT 静电放电保护电路 导通电阻 阈值电压 稳定性
语言:

中文摘要

本文提出了一种与氮化镓(GaN)功率高电子迁移率晶体管(HEMT)单片集成的栅极静电放电(ESD)保护电路。除了增强栅极在ESD事件中的鲁棒性外,该多功能电路还能提高功率HEMT在正常开关操作时导通电阻($R_{ON}$)和阈值电压($V_{TH}$)的稳定性。这种改进的实现方式是在关断状态下钳位HEMT的负栅极偏置($V_{G}$),而负栅极偏置是功率p型栅极GaN HEMT中$R_{ON}$和$V_{TH}$不稳定的关键原因。本文搭建了一个电路装置,用于原位监测动态$R_{ON}$及其从第一个开关周期到稳态的变化情况。在负$V_{G}$和高漏极偏置($V_{D}$)的关断状态应力下,未配备ESD电路的GaN HEMT在最初几十个开关周期内,动态$R_{ON}$会急剧增加。而ESD保护电路能完全抑制这种现象。此外,在长时间的$V_{G}$和$V_{D}$应力测试中,配备ESD电路的器件在$R_{ON}$和$V_{TH}$的长期稳定性方面表现更优。基于物理的技术辅助计算机设计仿真揭示了实现这种稳定性提升的关键物理机制。这些结果为解决p型栅极GaN HEMT固有的不稳定性问题,同时增强其栅极鲁棒性开辟了新途径。

English Abstract

This work presents a gate electrostatic discharge (ESD) protection circuit monolithically integrated with the GaN power high-electron-mobility-transistor (HEMT). In addition to enhancing the gate robustness against the ESD event, this multifunctional circuit also improves the stability of on-resistance (RON) and threshold voltage (VTH) when power HEMT is under normal switching operations. Such improvement is enabled by clamping the HEMT's negative gate bias (VG) at the off state, which is a critical cause of the RON and VTH instabilities in power p-gate GaN HEMTs. A circuit setup is deployed for the in situ monitoring of the dynamic RON and its evolution from the first switching cycle to the steady state. Under the off-state stress with negative VG and high drain bias (VD), the GaN HEMT without ESD circuit shows a drastic dynamic RON increase in the first tens of switching cycles. Such a phenomenon is fully suppressed by the ESD protection circuit. In addition, the longer-term stability of RON and VTH is tested under the prolonged stresses of VG and VD, in which the device with an ESD circuit shows superior stability. Physics-based technology-aided computer design simulation unveils the critical physics accounting for such stability improvement. These results reveal a new pathway to address the p-gate GaN HEMTs' inherent instability while simultaneously boosting their gate robustness.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项GaN功率HEMT单片集成保护电路技术具有重要的战略价值。作为光伏逆变器和储能变流器的核心功率器件,GaN HEMT因其高开关频率、低导通损耗和高功率密度特性,是实现系统小型化和效率提升的关键技术路径。

该研究解决的核心痛点直接关系到我们产品的可靠性表现。在光伏逆变器和储能PCS的实际应用中,功率器件需要承受频繁的开关动作和复杂的电压应力,传统p栅GaN HEMT存在的导通电阻(R_ON)和阈值电压(V_TH)不稳定问题,会导致器件性能退化,影响系统长期效率和寿命。该技术通过单片集成的多功能保护电路,在提供ESD防护的同时,通过钳位关断状态下的负栅压,有效抑制了动态R_ON的急剧增加和参数漂移,这对提升我们产品的25年生命周期可靠性至关重要。

从技术成熟度评估,该方案采用单片集成设计,避免了外部保护电路带来的寄生参数和成本问题,且物理机制清晰,具备较好的工程化潜力。对于阳光电源而言,这项技术可应用于下一代高频化逆变器和储能系统,支持系统向更高功率密度和更高可靠性演进。

主要挑战在于该技术的量产成熟度、成本竞争力以及与现有SiC方案的性能对比。建议与GaN器件供应商建立深度合作,开展联合验证测试,评估其在实际工况下的长期可靠性表现,并探索在高端产品线率先导入的可行性,为技术迭代储备竞争优势。