将E模式GaNFET与基于GaN的栅极调节电路集成，可以显著提高GaN开关的栅极驱动可靠性和兼容性，同时保持快速开关特性

，并减轻由于共封装相关的寄生组件引起的振铃现象。

　　级联和E模式GaNFET的发展与可靠性

　　级联GaN(如图1(a)所示)的结构结合了一个低压的常关硅MOSFET和一个高压的常开GaN HEMT，形成级联配置。这种组合有效地实现了增强模式行为，该技术自2010年代初期以来已商业化
。硅MOSFET的栅极阈值电压通常为4 V，相较于本土GaN解决方案，它简化了栅极驱动要求，因为这些级联GaN通常可以用标准的硅栅极驱动器驱动。此外，硅MOSFET的混合特性可以增强可靠性
。硅的已知特性和行为可被用来保护更敏感的GaN HEMT的栅极
，降低因高电压尖峰或不当栅极电压导致的故障风险。

图1

　　然而
，硅MOSFET在GaN HEMT的栅极与源极之间的额外并联，将显著增加级联GaN器件的有效输入电容
，这在很大程度上牺牲了快速开关特性，这是与SIC MOSFET相比最突出的优点之一
。更糟糕的是
，硅MOSFET与D模式GaN的串联连接用于共封装，将导致额外的寄生电感，这会导致开关波形中的更多振铃和超调
，影响整体性能并引发电磁干扰(EMI)方面的担忧。

　　E模式GaNFET(如图1(b)所示)采用p型GaN栅极结构
，提供正阈值电压
，使其在单芯片解决方案中天然常关。这对于需要故障安全操作的电源应用至关重要
。E模式GaNFET通常表现出非常低的栅极电荷和电容
，而无需额外组件，从而实现更快的开关速度和减少开关损耗
。它们在需要高频操作的应用中效率极高。

　　尽管如此
，p型GaN栅极的典型栅极阈值电压为1.4 V
，可能会因噪声或栅极电压波动导致意外的器件开启和系统故障。此外，典型的驱动范围为-10 V至7 V

，与大多数其他功率器件的驱动电压(需要12-18 V)不兼容，导致从其他功率开关切换到GaN HEMT变得困难。最后，由于p型GaN栅极尚未成熟且更脆弱
，长期可靠性和阈值电压稳定性方面存在担忧
。

　　全GaN集成电路解决方案：栅极阈值电压与驱动范围的飞跃

　　GaNPower International创新了一种全GaN集成电路方法，将栅极阈值电压从1.4 V提升至令人印象深刻的3.5-4.0 V
，驱动范围扩展至±20 V。一个专有的基于GaN的栅极调节电路已与功率GaNFET单芯片单片集成

。如图2(a)所示
，这一创新使新的E模式GaN与硅和SiC MOSFET的引脚排列、阈值电压和驱动范围相匹配，因此被称为“引脚对引脚”(P2P)，具有卓越的兼容性。P2P技术结合了级联GaN和E模式GaN的优点，旨在在不大幅牺牲GaN功率开关快速开关优势的情况下

，实现更可靠的栅极驱动

。

　　根据图2(b)所示的LTSpice模拟结果
，P2P GaN开关的栅极阈值电压已提升至约4 V

，其栅极电压在0-20 V PWM输入下也被有效夹持在7 V以下。

图2

　　室温下的静态IdVg测量结果(如图3所示)也验证了P2P GaN的栅极阈值电压(3.6 V)相较于没有基于GaN的栅极调节电路的正常E模式GaN的提升
。

图3

　　展示卓越的开关性能

　　建立了一个双脉冲测试平台
，配备定制的空气心128 μH负载电感器、自由轮回的SiC二极管以及可靠的电压钳位电路
，以准确测量动态Rdson，从而评估P2P GaN的突发模式开关性能
。

　　在12 V PWM输入和900 V总线电压下，所有的开关波形(Vgs、Vds和Ids
，如图4所示)都很干净，没有明显的振铃或超调
。此外，动态Rdson在室温下也保持在合理范围内
，最大可达33 A(其电流额定值)，这一点可以从夹持的Vds波形中观察到。另一个在125°C相似加载条件下进行的双脉冲测试显示出可比的开关波形

，证明了基于GaN的栅极调节电路的热稳定性良好。

图4

　　为持续硬开关评估P2P GaN，建立了一个100 KHz半桥Buck测试平台，配备高饱和度的环形电源电感器和40欧姆的高功率电阻负载
。两个GP65R45T4器件与合适的散热器安装在主测试板上
，并在测试期间使用了适当的风扇冷却。

　　根据图5(a)所示的效率报告
，在12 V PWM输入和200-550 V总线电压下，基于P2P GaN的Buck转换器达到了97.42%的峰值效率
，最大功率输出为3.7 kW

。图5(b)显示了在450 V总线电压下
，峰值效率时开关波形的良好持续性，没有显著振铃和超调
。

图5

利发国际科技专注功率器件领域，为客户提供IGBT、IPM模块等功率器件以及MCU和触控芯片
，是一家拥有核心技术的电子元器件供应商和解决方案商。