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一、简述
GaN器件当前被称作HEMT(高电子迁移率晶体管)，此类高电子迁移率的晶体管应用于诸多电子设备中，如全控型电力开关、高频放大器或振荡器。与传统的硅金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 相比，氮化镓 (GaN) 可提高功率密度和效率，GaN 和 SiC 均具有宽带隙，但它们之间存在根本差异，因此分别适合特定的拓扑和应用。
GaN HEMT的工作原理是：当栅极电压变化时，会在GaN沟道层形成一个电子气，这个电子气会随着栅极电压的变化而移动，形成一个电流。由于GaN材料的高电子迁移率和高饱和电流密度，GaN HEMT具有更高的开关速度和功率密度。
二、GAN类型
基于GaN的HEMT市面上主要有两种，一种是基于沟道技术的增强型HEMT(e-HEMT)，另一种是级联型HEMT(Cascode HEMT)。相比级联型HEMT，增强型HEMT拥有更低的EMI，无反向恢复损耗，且拥有正的温度特性从而更容易并联使用。下图展示了级联型HEMT结构。
三、参数
3.1可以通过改变RG控制开关速，
VGSth典型值为1.5V;VG最大额定值为-20/+10V;
若栅极和源极之间电压小于开启电压，加正压无正向电流，加反压有反向电流但反向压降较大。
3.2 与SI参数对比
3.3 反向导通特性
DS之间的导通是通过中间的电子层，所以可以双向导通，即常开。
3.4 E-GAN无体二极管
GAN体内没有寄生二极管即非常小的Trr，在续流方面有很大优势，无反向恢复，Qrr=0，没有PN结。由于 SiC FET 结构中存在体二极管， 所以它会出现反向恢复损耗。典型的 SiC FET 有大于 85nC 的反向恢复电荷。
3.5 更快的开关速度
集成栅极驱动器的新一代 GaN 器件开关速度可达 150V/ns，损耗比 SiC 低 82%，比 分立式 GaN FET 低 63%。下面图展示了GaN HEMT在硬开关模式下，拥有更快的开通和关断速度：
3.6 死驱时间
GaN HEMT没有体二极管。GAN器件的反向传导压降与V(GS(OFF))成比例增加。在死区时间内，2DEG的行为就像一个二极管，V(F )= V(TH(GD))+ V(GS(OFF))+ I(SD)* R(SD(ON))。
四、成本
GaN 通过消除有源和无源器件，使用更小、更轻的磁性元件，并降低系统的冷却需求，可实现显著的系统及成本节约。但是，实现的节省远不止这些，GaN 有望进一步降低器件成本，业界对GAN成本评估预测如下图所示。
五、驱动
5.1 D-mode GAN驱动
按照应用场景差异，GaN需要隔离或非隔离、低边或自举、零伏或负压关断等多种驱动方式，由于按照栅极特性差异，GAN分为常开的耗尽型(D-mode)和常关的增强型(E-mode)。D-mode GaN从常开型变为常关型，主要包括级联(Cascode)和直驱(Direct Drive)两种技术架构;其中，级联型的D-mode GaN更为主流。如下图，级联型的D-mode GaN是通过利用低压Si MOSFET的开关带动整体的开关，从而将常开型变为常关型。
D-mode GaN最大的优势在于可用传统Si MOS的驱动电路，以0V/12V电平进行关/开的控制。但需要注意的是，尽管驱动电路和Si MOS相同，但由于级联架构的D-mode GaN的开关频率和速度远高于传统的Si MOS，所以要求驱动IC能够在很高的dv/dt环境下正常工作。
5.2 E-Mode GAN驱动
不同于D-mode GaN通过级联低压Si MOS来实现常关型，E-mode GaN直接对GaN栅极进行p型掺杂来修改能带结构，改变栅极的导通阈值，从而实现常断型器件。根据栅极结构不同，E-mode GaN又分为欧姆接触的电流型和肖特基接触的电压型两种技术路线，其中电压型E-mode GaN最为主流。
GaN/Si MOS/IGBT 不同状态下电流路径
考虑E-mode GaN的以上驱动特性，对驱动器和驱动电路的设计一般需要满足：
具备100V/ns以上的CMTI，以满足高频应用的抗扰能力;
可提供5~6V的驱动电压，并且驱动器最好集成输出级LDO;
驱动器最好有分开的OUTH和OUTL引脚，从而不必通过二极管来区分开通和关断路径，避免了二极管压降造成GaN误导通的风险;
在高压、大功率应用特别是硬开关拓扑，可以提供负压关断能力;
尽可能小的传输延时和传输延时匹配，从而可以设定更小的死区时间，以减小死区损耗。
在低电压、小功率，或对死区损耗敏感的应用中，一般可使用0V电压关断;但是在高电压、大功率系统中，往往推荐采用负压关断来增强噪声抗扰能力，保证可靠关断。在设计栅极关断的负压时，除了需要考虑GaN本身的栅极耐压能力外，还需要考虑对效率的影响。如下表所示，这是因为E-mode GaN在关断状态下可以实现电流的反向流动即第三象限导通，但是反向导通压降和栅极关断的负压值相关，用于栅极关断的电压越负，反向压降就越大，相应的会带来更大的死区损耗。一般，对于500W以上高压应用，特别是硬开关，推荐-2V~-3V的关断负压。常用的驱动方式有以下2种方案：
1、阻容分压式方案，E-mode GaN可以采用传统的Si MOS驱动器来设计驱动电路，需要通过阻容分压电路做降压处理。
需要电阻、电容、稳压管设计外围电路，这种驱动方案可以采用普通的Si MOSFET驱动芯片，如下图所示，当驱动开通时，图中Cc与Ra并联后和Rb串联，将驱动供电电压(如10V)进行分压后，为GaN栅极提供6V驱动导通电压，Dz1起到钳位正压的作用;当驱动关断时，Cc电容放电为GaN栅极提供关断负压，Dz2起到钳位负压的作用。
2、直驱式方案
无需电阻、电容、稳压管等外围电路
六、损耗
6.1 双脉冲测试
双脉冲测试可以获取开关管开关过程中的参数，通过测试结果评估驱动电阻是否合适，是否需要吸收电路等。而且可以衡量开关管在实际工作中的表现，主要有反向恢复电流，关断电压尖峰，开通关断时间等
1、t0时刻，门极发出第一个脉冲，下桥MOS饱和导通，电压U加在负载L两端，电感的电流线性上升。
2、t1时刻，下桥MOS关断，电感电流由上桥二极管续流，电流波形如虚线所示，由于电流探头放在下桥的发射极，因此，在上桥二极管续流时，电流探头检测不到该电流。
3、t2时刻，第二个脉冲的上升沿到达，下桥MOS再次导通，上桥续流二极管反向恢复，反向恢复电流会穿过下桥MOS，电流探头上能捕捉到这个电流。在该时刻，重点观察MOS的开通过程。
4、t3时刻，下桥MOS再次关断，此时电流变化较大，由于母线杂散电感Ls的存在，Vce会产生一定的电压尖峰。在该时刻，重点观察MOS的关断过程。Vce电压尖峰是重要的监控对象，同时还需关注关断之后电压和电流是否存在异常振荡。
双脉冲测试问题注意：
(1)、要想获得较为精确的测量值，对测试仪器有很大要求，一般采用高压探头取Vge、Vce，罗氏线圈电流探头取Ic，对于驱动信号可以采用普通探头获得。同时，对探头进行校准，尽量减小测量仪器带来的误差。
(2)、调整栅极电阻Rgon，用以确定Rgon的数值是否合适。并且调整优化GAN的VDS与ID波形，切勿出现电流严重拖尾，VDS打嗝。
(3)、负载电感可以使用自己绕制的空心电感，或者购买相应的空心电感，不要使用磁粉芯电感，瞬间大电流会影响磁粉芯电感的电感值，从而对测试结果造成影响。
(4)、直流侧需要高压电源，一般情况下，为保护仪器，可以用多个电容串并联，使用高压电源为电容充电，然后给被测电路供电。
(5)、双脉冲信号信号发生器产生，信号发生器输出有50Ω或者1MΩ，不同的阻抗输出电压值会不同，测试前需使用示波器观察发生器的波形是否满足预期，以免影响测试结果。
6.2、双脉冲仿真
搭建仿真平台
采样电阻杂感2nh
母线加RC
仿真结果：采样电阻2nh杂感情况
仿真结果可见，下管采样电阻杂感等寄生参数影响波形，形成LC震荡。下管开通时，由于上管的反向恢复电流影响，在IR5处测得电流出现回沟。
结语
应用实例：人形机器人已经在酒店服务、机场安全等领域得到应用，预计未来将在更多领域发挥作用。
劳动力缺口：人形机器人有潜力填补因出生率下降导致的劳动力缺口，维持经济稳定和提高生活质量。
技术进步：GaN技术的持续进步将推动人形机器人向更高效、可靠和能力的方向发展。
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