IEDM2024 | 智能氮化镓器件与绝缘栅双极晶体管的组合创新

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引言

随着功率电子领域的快速发展，氮化镓(GaN)技术已经成为高性能器件的重要材料。增强型p型氮化镓高电子迁移率晶体管(HEMT)配合肖特基栅极结构，已经证明在这个领域具有显著优势。虽然氮化镓技术在消费类电子应用中已经获得广泛认可，并逐步渗透到工业应用中，但在汽车领域的应用主要局限于车载充电器(OBC)和DC-DC转换等较低功率的场景[1]。

图1：ICeGaN结构框图，展示了智能功率HEMT架构，包含集成的传感和保护功能。该图详细说明了电压感应、电流感应、保护电路和智能控制特性等各个组件的复杂集成。

剑桥氮化镓器件有限公司(CGD)开发的ICeGaN™(集成电路增强型氮化镓)技术代表了智能功率氮化镓HEMT的新一代发展。这种创新技术采用额定电压为650V的增强型p型氮化镓HEMT，并在单片上集成了包含先进传感和保护功能的接口电路。

Combo ICeGaN的技术原理

Combo ICeGaN将智能氮化镓HEMT (ICeGaN)与绝缘栅双极晶体管(IGBT)并联组合，形成了功率电子领域的重要技术突破。这种混合方案充分发挥了两种技术的各自优势。

图2：Combo ICeGaN概念示意图，展示了智能氮化镓HEMT (ICeGaN)和IGBT的并联组合。该图展示了基本配置，使两种器件能够实现互补运行。

在技术实现上，ICeGaN和IGBT组件具有兼容的阈值电压(ICeGaN约为3V，IGBT为4-5V)，可以在相同的驱动电压范围(0-20V)内工作。这种兼容性确保了系统集成的无缝衔接，同时保持最佳性能特性。

工作特性与性能分析

Combo ICeGaN的工作原理基于两个器件之间根据工作条件的电流分配策略。在低电流(轻载)条件下，电流主要通过ICeGaN器件流动，而在高电流(满载)条件下，IGBT提供更高效的导电通路。

图3：在不同温度(25°C和125°C)下ICeGaN和IGBT组件之间电流分配的实验结果。该图显示了ICeGaN在低电流区域占主导地位，而IGBT在高电流区域接管主要电流的过程。

温度对Combo ICeGaN的运行具有显著影响。在较高温度下，IGBT的双极性组件会在较低电压(低于0.7V)下开始导通，有效补偿ICeGaN电流容量的任何减少。相反，在较低温度下，ICeGaN组件承担更大比例的电流。

在牵引逆变器中的应用

Combo ICeGaN在电动汽车(EV)牵引逆变器应用中展现出独特优势。这一应用领域目前主要由IGBT主导，同时面临来自碳化硅MOSFET的竞争。

图4：采用Combo ICeGaN开关配置的电机控制(牵引逆变器)三相逆变器示意图。该图展示了混合开关在实际逆变器电路中的实现方式。

图5：比较Combo ICeGaN与纯IGBT方案在不同功率输出水平下的功率损耗和效率曲线的实验/计算结果。这些图表展示了Combo ICeGaN在轻载条件下的卓越效率。

先进控制与保护特性

Combo ICeGaN采用了复杂的控制机制，包括独立的栅极连接(G1, G2)和来自ICeGaN的反馈环路，实现了开关波形的精确控制。这种双栅极配置允许对ICeGaN和IGBT组件进行独立控制，在不同工作条件下最大化各自的技术优势。

图6：先进的Combo ICeGaN概念图，显示独立栅极连接(G1, G2)和反馈环路的实现。该配置实现了不同工作条件下的优化控制策略。

集成在ICeGaN芯片中的保护系统通过复杂的传感和响应机制运行。当电流超过预设阈值时，系统能够快速调节两个组件的栅极信号，在保持最佳性能的同时防止器件损坏。短路检测通过监测两个器件的电压和电流特性实现，提供了全面的保护方案。

性能特性与技术优势

Combo ICeGaN的传输特性显示了两种半导体技术之间独特的相互作用。ICeGaN组件较低的阈值电压(约3V)主导初始开启行为，而IGBT的特性在较高电流水平下变得更加显著。这种互补行为导致开关性能的整体改善，特别是在开启和关断转换过程中的损耗减少。

图7：ICeGaN、IGBT和Combo开关的传输特性比较，显示ICeGaN较低阈值电压对整体器件行为的影响。

图8：关态特性显示了基于碰撞电离的击穿行为和IGBT的钳位效应，为Combo开关提供了雪崩能力。

在导通特性方面，该系统在各种工作条件下都表现出显著的效率提升。在室温下，等效导通电阻(Ron)相比传统IGBT模块显著降低，特别是在轻载区域实现了超过三倍的导通损耗降低。这种改进通过ICeGaN和IGBT组件之间的最优电流分配实现，其中氮化镓器件在轻载条件下处理大部分电流，而IGBT在重载期间提供高效导电通路。

图9：650V/850A逆变器应用中Combo ICeGaN与硅基IGBT模块的等效Ron比较，展示了在不同电流水平下的优越性能。

在电动汽车牵引逆变器的应用中，该技术展现出显著的技术优势。系统在宽广的功率范围内保持高效率，实验结果表明在传统IGBT解决方案通常效率较低的轻载区域具有显著的性能提升。集成的保护特性和复杂的控制机制确保了在汽车应用典型的苛刻条件下的可靠运行，而氮化镓和硅组件的互补特性提供了跨越不同温度条件的稳健性能。

参考文献

[1] F. Udrea, "Combo ICeGaN: The Combination of a Smart GaN HEMT and an IGBT," in IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM), San Francisco, CA, USA, 2024.

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