基于硅基氮化镓的电源轨ESD钳位电路设计——具有超低漏电流和动态时序-电压检测功能

Design of GaN-on-Silicon Power-Rail ESD Clamp Circuit With Ultralow Leakage Current and Dynamic Timing-Voltage Detection Function

查看原文 · IEEE Xplore DOI: 10.1109/TED.2025.10852395

作者	Chao-Yang Ke · Ming-Dou Ker
期刊	IEEE Transactions on Electron Devices
出版日期	2025年1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集成电路电源轨ESD钳位电路超低泄漏电流电压检测 ESD鲁棒性

语言:

中文摘要

提出了一种用于单片氮化镓（GaN）基集成电路（IC）的电源轨静电放电（ESD）钳位电路，该电路具有超低泄漏电流和动态定时 - 电压检测功能，并已在0.5微米的硅基氮化镓工艺中成功验证。其待机泄漏电流仅为0.8纳安。通过电压检测，所提出的ESD钳位电路仅能由ESD事件触发，在快速上电条件下不会被误触发。实验结果表明，所提出的设计的人体模型（HBM）ESD鲁棒性可达到6千伏以上。通过调整二极管连接的高电子迁移率晶体管（HEMT）的数量，ESD钳位电路的触发电压具有灵活性，因此它可用于不同额定电压的电源电压（${V}_{\textit {CC}}$）。

English Abstract

A power-rail electrostatic discharge (ESD) clamp circuit for monolithic GaN-based integrated circuits (ICs) with ultralow leakage current and dynamic timing-voltage detection function was proposed, which has been successfully verified in a 0.5- m GaN-on-Si process. The standby leakage current is only 0.8 nA. With the voltage detection, the proposed ESD clamp circuit can only be triggered by ESD events, and cannot be falsely triggered during fast power-on conditions. The experimental results demonstrate that the human-body-model (HBM) ESD robustness of the proposed design can be achieved over 6 kV. The triggered voltage of the ESD clamp circuit is flexible by adjusting the number of diode-connected high electron mobility transistors (HEMTs), so it can be utilized in different voltage ratings of V_ CC .

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看，这项GaN基功率轨ESD保护技术具有重要的战略价值。当前公司在光伏逆变器和储能变流器中大量应用碳化硅等宽禁带半导体器件，而GaN器件凭借更高的开关频率和功率密度优势，正成为下一代功率电子系统的关键技术方向。

该论文提出的ESD保护方案解决了GaN集成电路应用中的两个核心痛点：首先，0.8nA的超低漏电流对于储能系统的待机损耗控制至关重要，这直接关系到系统的循环效率和长期经济性。其次，动态时序-电压检测功能可有效避免快速上电时的误触发，这对于光伏逆变器在清晨启动或储能系统频繁充放电切换等工况下的可靠性具有实际意义。6kV以上的HBM ESD耐受能力也满足工业级应用的严苛要求。

从技术成熟度评估，该方案已在0.5微米GaN-on-Si工艺上验证，与阳光电源现有供应链体系具有良好的兼容性。可调节的触发电压设计使其能够适配不同母线电压等级，这对于公司涵盖户用、工商业到大型地面电站的全系列产品线尤为重要。

技术挑战主要在于GaN单片集成电路的成本控制和长期可靠性验证。阳光电源可考虑在高端产品线如1500V光伏系统或液冷储能变流器中优先导入，通过与GaN功率器件供应商的深度合作，推动ESD保护电路的标准化集成，从而在提升功率密度的同时确保系统级可靠性，巩固在新能源电力电子领域的技术领先地位。