《電子技術(shù)應用》
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硅基GaN功率器件與驅(qū)動集成設計
電子技術(shù)應用
嚴張哲1，2，周建軍1，2，孔月嬋1，2
1.南京電子器件研究所；2.固態(tài)微波器件與電路全國重點實驗室
摘要： 為滿足高頻電源模塊的應用需求，設計了一款全GaN功率芯片。芯片集成了驅(qū)動電路和300 V功率管，有效減少分立式封裝所帶來的寄生電感，集成化設計能夠提升芯片抗噪聲能力和可靠性。芯片在GaN-on-Si工藝平臺進行制備，采用E/D模集成電路設計。該芯片的驅(qū)動電路在2 MHz開關(guān)頻率下輸出信號上升時間為4.3 ns、下降時間為3.4 ns，芯片的功率管在300 V下能夠穩(wěn)定工作。
關(guān)鍵詞： GaN 功率IC 單通道 GaN-on-Si ED模
中圖分類號：TN431.1 文獻標志碼：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.256324
中文引用格式： 嚴張哲，周建軍，孔月嬋. 硅基GaN功率器件與驅(qū)動集成設計[J]. 電子技術(shù)應用，2025，51(5)：15-20.
英文引用格式： Yan Zhangzhe，Zhou Jianjun，Kong Yuechan. Integrated design of GaN-on-Si power devices and drivers[J]. Application of Electronic Technique，2025，51(5)：15-20.
Integrated design of GaN-on-Si power devices and drivers
Yan Zhangzhe1，2，Zhou Jianjun1，2，Kong Yuechan1，2
1.Nanjing Electronic Devices Institute； 2.National Key Laboratory of Solid-state Microwave Devices and Circuits
Abstract： An all-GaN power chip is designed to meet the application requirements of high-frequency power modules. The chip integrates the driver circuit and 300 V power devices, which effectively reduces the parasitic inductance caused by the discrete package, and the integrated design can improve the chip's noise immunity and reliability. The chip is prepared in GaN-on-Si process platform and adopts E/D mode IC design. The driver circuit of the chip has an output signal rise time of 4.3 ns and a fall time of 3.4 ns at a switching frequency of 2 MHz, and the power devices are able to work stably at 300 V.
Key words : GaN；power IC；single-channel；GaN-on-Si；E/D mode

引言

GaN作為第三代半導體材料，具有帶隙寬和遷移率高的優(yōu)點，被廣泛應用于射頻和電源領域[1-2]。近年來，Si電源模塊的工作頻率一般在150 kHz[3]，而搭載GaN功率器件的電源模塊工作頻率已經(jīng)達到1 MHz[4]，并且具有更高的功率密度和效率，因此GaN功率器件在高效小型化電源領域更有優(yōu)勢。

處理器的低壓控制信號無法直接驅(qū)動功率器件，需要經(jīng)過專用的驅(qū)動電路轉(zhuǎn)化成大電流信號。目前行業(yè)上主要采用分立的驅(qū)動方案，通過Si驅(qū)動芯片驅(qū)動GaN功率器件。Si驅(qū)動芯片以高壓BCD工藝為主，德州儀器（Texas Instruments，TI）[5]、英飛凌（Infineon）[6]和安森美（Onsemi）[7]等廠商已經(jīng)有相關(guān)產(chǎn)品。Si驅(qū)動芯片與GaN功率器件一般采用電路板或者鍵合絲的方式連接，兩者連接處寄生電感較大，當開關(guān)頻率較高時，由寄生引起的柵極振蕩將影響GaN功率器件的正常工作，極大地限制了GaN功率器件的工作頻率和可靠性[8]。針對上述問題，目前有兩套方案：優(yōu)化分立式驅(qū)動電路的設計，或者將驅(qū)動電路和功率器件集成化設計。

分立式的驅(qū)動電路優(yōu)化方案分以下兩種：(1)設計上加入噪聲抑制、負反饋或者自適應調(diào)節(jié)電路。2019年，美國安森美推出了專用于驅(qū)動GaN的NCP51820[7]，該產(chǎn)品加入了共模噪聲抑制和死區(qū)可調(diào)控的設計，提高了抗干擾能力的同時降低了損耗。(2)對驅(qū)動和功率器件進行隔離。思佳訊（Skyworks）的SI8274GB1-IS1[9]片上進行電容隔離，具有極強的抗擾度，但是設計封裝難度較大，成本較高。

集成化設計包括系統(tǒng)級集成和單片集成。TI的LMG3422R030[10]將Si驅(qū)動芯片和GaN功率器件進行SiP系統(tǒng)級封裝。Navitas推出的單片集成功率芯片NV6115[11]，由于規(guī)避封裝引線和PCB走線帶來的寄生電感，抗干擾能力有較大提升。東南大學等高校也在進行集成芯片的研發(fā)，但是國內(nèi)目前仍沒有出現(xiàn)成熟的商用芯片。

本文在GaN-on-Si工藝平臺上設計了一款單片集成GaN功率芯片，芯片集成300 V功率管和驅(qū)動電路。驅(qū)動電路中加入了基準電路和欠壓保護電路設計，開關(guān)頻率能達到2 MHz，驅(qū)動輸出上升下降時間均小于5 ns，滿足電源模塊小型化、高可靠的設計要求。


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http://www.theprogrammingfactory.com/resource/share/2000006519


作者信息：

嚴張哲1，2，周建軍1，2，孔月嬋1，2

（1.南京電子器件研究所，江蘇 南京210016；

2.固態(tài)微波器件與電路全國重點實驗室，江蘇 南京210016）


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