能华推出首款高Vth的增强型GaN器件

前言

氮化镓 GaN 以开关速度快，导阻低，低输入输出电荷的优势，应用在快充上逐渐取代了传统的高压硅 MOS 管。使用 GaN 取代硅 MOS 管，不仅降低了开关损耗，提高充电器的转换效率，使得充电器无需设计大面积的散热片；而且大幅提升了功率器件开关频率，减小变压器电感量，缩小变压器尺寸，进而减小充电器的体积。

目前市场上的 GaN 产品主要有 Cascode GaN 和 E mode GaN 两种，其中 E mode GaN 的阈值电压 Vth 典型值都在 1.2-1.5V 左右，而高压 Si MOSFET 的 Vth 典型值普遍是 3-4V。

随着 GaN 功率器件市场范围向大功率适配器、LED电源、电驱、服务器电源等应用拓展，目前 E mode GaN 器件过低的阈值电压会在各类应用中面临巨大的挑战，器件的驱动可靠性问题将会突显，主要表现在以下四个方面。

第一，GaN 器件的关断过程，由于功率回路 dv/dt 产生流过米勒电容 Crss 的电流会导致 Vgs 上出现电压尖峰。

第二，GaN 器件的关断过程，由于功率回路 di/dt 在器件源极寄生感Ls上产生的电压会耦合到驱动电压 Vgs 上。

第三，在桥式应用中，上管开通过程的电流尖峰也会通过下管的源极寄生感Ls产生电压尖峰耦合到下管的驱动Vgs上。

第四，相同规格的 E mode GaN 与 Si MOSFET 器件相比前者的 Ciss 远小于后者，对于驱动环路本身而言，相同的环路寄生感和环路阻尼条件下，Ciss 越小，驱动 Vgs 振荡尖峰越大。

如果驱动信号上的尖峰达到器件本身的阈值电压 Vth 时，一方面会产生较大的损耗和发热，另一方面会产生误触发开通甚至导致直通短路。由于 GaN 的开关速度相对于 Si MOSFET 要快很多，所以其 Vth 过低引起的一系列问题在硬开关、大功率、高可靠性的应用领域需要格外关注。

能华CE65E300DNYI问世

针对 Vth 过低的问题，各家 GaN 公司的解决方案主要分为三类。

第一，使用有负压关断功能的驱动电路。第二，尽量优化驱动环路 PCB Layout 和使用 Kelvin S 接线方式，减小驱动耦合和振荡。第三，使用 IC 合封或单 Die 集成的方式优化驱动环路。

负压关断的驱动方案降低了系统可靠性，增加了系统复杂性；优化驱动 PCB Layout 一定程度上提高了PCB Layout 难度，并且效果未必能很好；使用 IC 合封或单 Die 集成则导致由于封装不同，不会有平替方案，客户供应链的安全无法得到保障。

能华微电子近期推出了一款 Vth=2.5V (典型值)的单管 E mode GaN 器件，型号为 CE65E300DNYI。这是一款 DFN5*6 封装的器件，耐压 650V，瞬态耐压 750V，导阻为 300mΩ。

相比传统 Si MOSFET 器件，这颗 GaN 器件能大大提升系统效率、功率密度，减小系统尺寸及重量，并降低系统成本。相比市场上其他 E mode GaN 产品，其 Vth 要高 60%，保证了在各种应用场景的驱动可靠性，无需负压关断，PCB Layout 也变得更容易。

值得注意的一点是，相对目前市场上的 E mode 器件的 Vth=1.5V，能华采用外延及芯片工艺的自主创新，将 Vth 提高到 2.5V，同时保持 2DEG 的电阻一致，器件在 6V 导通时电阻也维持不变，这意味着器件的成本 (Ron*Die size) 和器件饱和电流 (Isat) 维持在同等水平。

从器件转移特性和 Ron 特性曲线的实测数据对比都可以看出，能华推出的器件 CE65E300DNYI相对目前市场上的一款 E mode GaN 器件实测的Vth有1.2V左右的提升。并且当驱动电压达到4.5V以上时，CE65E300DNYI 沟道已经完全开通，实际应用中使用驱动电平6V能达到很好的效果，Rdson=300mΩ。

另外，能华微电子的一颗 Rdson=160mΩ (典型值)的 650V E mode GaN 预计也将会在今年10月推出，其阈值电压 Vth 也是 2.5V；预计该器件可以在满足GaN器件的驱动可靠性的同时，把应用的功率范围提升到 240W。敬请关注！

充电头网总结

GaN 器件优越的性能优势，最先在快充应用中得到充分发挥。GaN 器件的高频高效特性，显著提高了充电器转换效率，并降低散热需求，助力大功率充电器小型化。除快充应用外，GaN器件还可用于大功率适配器、LED 照明、新能源汽车等应用，市场前景广阔。

能华此次推出的 E mode GaN 器件 CE65E300DNYI，相比市面上的同类产品，其阈值电压 Vth 更高，不仅简化了 PCB 设计流程，而且提高了器件的可靠性，同时还能拓宽器件的应用场景，让更多的产品享受到GaN带来的高效优势。

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