用于低溫應用的GaN

氮化鎵功率器件由于其優異的性能而被用于越來越多的應用中。本文解釋了要考慮的主要特征。一項可能的研究是將 GaN 用于低溫應用，例如航空、太空和超導系統，特別是在不同電路配置中低于液氮溫度 (77 K) 的工作條件。在本文中，報告了一些關于低溫環境中不同開關和電壓損耗配置的研究。作者研究了四個商用 GaN 器件在 400 K 和 4.2 K 之間的寬溫度范圍內的性能。據作者介紹，正如原始文章中所報道的，所有測試的器件都可以在低溫下成功運行，性能整體有所提高。然而，不同的 GaN HEMT 技術意味著器件柵極控制的顯著變化。

GaN HEMT

在本博客中，我們討論了 GaN 在溫度接近 150?C 的各種應用中與硅相比的改進性能。然而，許多應用需要能夠在低至幾開爾文的溫度下運行的設備——考慮新能源用途、能量存儲、超導體以及航空和太空應用。

隨著成本和結構復雜性的大幅增加，電力系統通常被絕緣并保持在環境溫度下。因此，直接在相關溫度下運行系統將是非常有利的。

當硅和寬禁帶器件（如碳化硅和垂直 GaN）的溫度下降時，會出現兩個重要現象，如文章中所述：載流子遷移率隨著高性能參數電子-聲子相互作用的降低而上升。此外，這種下降反映在載流子密度的下降中，這導致溝道電阻的增加和向正閾值電壓 (V th ) 水平的轉變。

由于載流子是由 AlGaN 勢壘和 GaN 層之間的極化失配產生的，因此 GaN HEMT 不需要任何摻雜即可在溝道中獲得高濃度的電子。溫度與這種情況無關。

商業器件（ EPC和GaN 系統）的特性評估已發表在多篇研究論文中，證明了在 77 K 溫度下性能的提升。這項工作的作者著眼于標準 GaN 拓撲的性能，包括柵極注入晶體管(GIT) 和級聯，以及器件傳導和軟開關和硬開關損耗等特性，從 400 K 到 4.2 K。原始 IEEE 文章中考慮的器件如圖 1 所示。

圖 2 顯示了作者用來進行測量的方案。使用 PID 控制器，溫度在 400 K 和 4.2 K 之間變化，公差為 0.1 K，測量在真空條件下進行（10E-4 mbar，300 K）。

圖 1：用于測量的 GaN 器件

圖 2：(a) 用于器件表征的低溫探針臺；(b,c) GaN 器件的電路/示意圖（來源：IEEE）

基本上，描述和比較了四種商業設備，每一種都具有相同的電流和電壓，但設備技術不同。為了同時提供直流器件和開關特性，采用了兩個晶體管。一個 10nF（多層陶瓷）C ref電容器連接到一個器件的柵極和源極端子，以執行 Sawyer-Tower (ST) 測試以評估器件開關損耗（圖 2）。有關 ST 方法的更多詳細信息，請閱讀本文。

圖 3：(a) T3 從 400 到 4.2 K 的傳輸特性；(b) V th作為四個器件的溫度函數；(c) 比較器件的導通電阻與溫度的關系；(d)關于四個器件的室溫值的歸一化 R on （來源： IEEE）

從作者的研究中，可以在圖 3 中觀察到傳遞函數，以及因此特性的正向偏移。另一方面，基于 1mA I ds的閾值電壓表明解決方案之間存在顯著差異。隨著溫度下降，GIT 器件（T3 和 T4）的 V th保持相對恒定但緩慢上升。級聯共柵顯著上升，但電路的彈性使其能夠以高柵極電壓 (V g ) 驅動，以補償 V th漂移。V thT1 從環境溫度下的 1.6 V 下降到 4.2 K 下的 1 V。這種影響可能會導致更小的“關閉”狀態余量，從而減少誤報。這種效果可以確保減少“關閉”狀態裕度，從而在這些條件下產生誤報。

圖 3c 中看到的溫度下降表明器件的導通電阻降低。這是由于電子遷移率增加導致電阻降低。然而，這四種設備的行為不同，表明它們都與 HEMT 技術相關，正如作者實現的歸一化值（圖 3 中的 d）圖所示。技術之間的這種行為差異對器件傳導、損耗和驅動電路有直接影響。

根據電路的工作條件，器件會受到軟開關或硬開關損耗的影響。Soft 通常以 ST 測量為特征，并與器件輸出電容 (C oss )的非理想充電和放電有關，并且在高頻下變得很重要。參考電容器上的電壓 (V ref ) 的測量允許獲得 Q oss ，因此考慮到充電和放電路徑之間的滯后循環，在每個開關周期 (E diss )消耗的能量。

正如文章中所指出的，它們的反應都不同，這意味著這種差異與捕獲位點的特定能級緊密相關。由于每個制造商經常使用自己的結構，因此開關損耗值和溫度特性應根據所使用的 GaN 緩沖混合物和 Si 襯底而有很大差異。這組作者說，與傳導損耗相比，軟開關損耗具有中等的溫度依賴性。

在這種情況下，很難測量硬開關損耗。主要貢獻由f × E oss表示（其中f是開關頻率，E oss是在“關閉”狀態下某個值 V ds時存儲在晶體管輸出電容中的能量）和另一個與C oss放電期間從電路流過器件通道的外部負載電流。如原始文章中的圖表所示，E oss對硬開關損耗的貢獻在很寬的溫度范圍內是相當恒定的（T4 的變化更大）。

從分析中可以看出，所有測試的設備都可以在低溫下運行。不同的 GaN HEMT 技術經歷了設計過程中需要考慮的變化。



審核編輯：劉清