電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/梁浩斌）GaN在近幾年的應(yīng)用發(fā)展非常迅速，從最開始的消費(fèi)電子領(lǐng)域，手機(jī)快充充電頭，已經(jīng)拓展到數(shù)據(jù)中心、光伏、儲(chǔ)能，甚至是電動(dòng)汽車、充電樁等應(yīng)用。集邦咨詢的預(yù)測(cè)顯示，到2026年，全球功率GaN市場(chǎng)規(guī)模將會(huì)從2022年的1.8億美元增長(zhǎng)至13.3億美元，年均復(fù)合增長(zhǎng)率高達(dá)65%。

而功率GaN器件從柵極技術(shù)路線上，目前有兩種主流的方向，包括增強(qiáng)型E-Mode和耗盡型D-Mode。那么這兩種技術(shù)路線有哪些差異？

耗盡型（D-Mode）GaN器件

D-Mode GaN是一種常開型器件，在沒有施加?xùn)艠O電壓時(shí)，器件處于導(dǎo)通狀態(tài)，需要施加負(fù)向柵極電壓減少溝道中的電子濃度，耗盡溝道電子，從而減小或關(guān)閉電流。

在GaN器件中，二維電子氣是在GaN和AIGaN層之間的界面上自發(fā)形成的，這個(gè)二維電子氣層具有非常高的電子密度和遷移率，這使得GaN器件能夠?qū)崿F(xiàn)快速的電子傳輸和低電阻，從而帶來高效率和高速開關(guān)的性能。而D-Mode GaN保留了這些優(yōu)勢(shì)，因此具有極高的開關(guān)速度。

由于具備高頻開關(guān)和低導(dǎo)通電阻的特性，D-Mode GaN適合用于高效率和高頻應(yīng)用，在高功率密度、大功率等應(yīng)用有很大應(yīng)用空間，比如在光伏微型逆變器、OBC、充電樁、數(shù)據(jù)中心電源等。

在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，常開的D-Mode GaN器件是無法直接使用的，需要通過外圍增加元器件，將其變成常關(guān)型才能使用。比如快充等應(yīng)用中，D-Mode GaN器件一般需要串聯(lián)低壓硅MOSFET使用，利用低壓硅MOSFET的開關(guān)帶動(dòng)整體開關(guān)，將常開型變?yōu)槌ｊP(guān)型器件使用。

D-Mode GaN主要包括兩種技術(shù)架構(gòu)，分別是級(jí)聯(lián)（Cascode）和直驅(qū)（Direct Drive）。前面提到的串聯(lián)低壓硅MOSFET開關(guān)帶動(dòng)整體開關(guān)就是Cascode的D-Mode GaN架構(gòu)，這種架構(gòu)也是目前的主流架構(gòu)，可靠性更高，在高功率、高電壓、大電流應(yīng)用中用性更高，比如在電動(dòng)汽車、工業(yè)等應(yīng)用上。

D-Mode GaN的驅(qū)動(dòng)兼容性也更好，比如級(jí)聯(lián)型的D-Mode GaN可以使用與傳統(tǒng)硅MOSFET相同的驅(qū)動(dòng)電路，不過由于開關(guān)頻率和開關(guān)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于硅MOSFET，所以驅(qū)動(dòng)集成電路要求能夠在高dv/dt的環(huán)境下穩(wěn)定工作。

目前走D-Mode路線的功率GaN廠商主要有Transphorm、PI、TI、安世、鎵未來、華潤(rùn)微（潤(rùn)新微）、能華微、芯冠等。

增強(qiáng)型（E-Mode）GaN器件

增強(qiáng)型GaN是一種常關(guān)型器件，在沒有施加?xùn)艠O電壓時(shí)，器件處于關(guān)斷狀態(tài)，不導(dǎo)電；需要施加正向柵極電壓來形成導(dǎo)電通道，器件才能導(dǎo)通。

前面提到在GaN器件中，二維電子氣是在GaN和AIGaN層之間的界面上自發(fā)形成的。為了實(shí)現(xiàn)常關(guān)型操作，需要在柵極下方引入p型摻雜的GaN層（p-GaN）。這種摻雜創(chuàng)建了一個(gè)內(nèi)置的負(fù)偏壓，類似于一個(gè)小的內(nèi)置電池，這有助于耗盡2DEG通道，從而實(shí)現(xiàn)常關(guān)型操作。

增強(qiáng)型GaN可以直接實(shí)現(xiàn)0V關(guān)斷和正壓導(dǎo)通，無需損失GaN的導(dǎo)通和開關(guān)特性，在硬開關(guān)應(yīng)用中可以有效降低開關(guān)損耗和EMI噪聲，更適合對(duì)故障安全有嚴(yán)格要求的低功率到中等功率應(yīng)用，例如DC-DC變換器、LED驅(qū)動(dòng)器、充電器等。

在應(yīng)用中，由于E-Mode GaN是常關(guān)型器件，使用方式可以與傳統(tǒng)的硅MOSFET類似，但需要復(fù)雜的外圍電路設(shè)計(jì)。如果要直驅(qū)，需要匹配專用的GaN驅(qū)動(dòng)IC。比如納芯微的E-mode GaN專用高壓半橋柵極驅(qū)動(dòng)器NSD2621、英飛凌的GaN EiceDRIVER系列高側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器等。

不過E-Mode GaN器件也有缺點(diǎn)，首先因?yàn)樾枰刂贫S電子氣來實(shí)現(xiàn)常關(guān)特性，這可能會(huì)影響器件的動(dòng)態(tài)性能，在開關(guān)速度上可能不如D-Mode器件。同時(shí)在熱管理方面，E-Mode GaN導(dǎo)通電阻隨溫度變化而增加，所以在高功率應(yīng)用中需要更加可靠的散熱設(shè)計(jì)。E-Mode GaN器件的柵極還可能存在穩(wěn)定性和漏電流的問題，可能會(huì)影響器件的可靠性和性能。

目前走E-Mode路線的功率GaN廠商主要有英飛凌（GaN Systems）、EPC、英諾賽科、納微半導(dǎo)體、松下、量芯微。

E-Mode和D-Mode如何選擇？

在實(shí)際應(yīng)用中，如何選擇E-Mode或D-Mode的GaN器件？從前面對(duì)兩種形式的GaN器件的分析，可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需求，從幾個(gè)方面來進(jìn)行選擇。

首先是對(duì)系統(tǒng)的安全要求，如果應(yīng)用需要故障安全操作，常關(guān)型的E-MODE GaN是更好的選擇；而常開型的D-Mode GaN，在系統(tǒng)可以通過外部控制實(shí)現(xiàn)安全操作時(shí)則更加適合，因?yàn)镈-Mode GaN可以提供更快的開關(guān)速度和更高的頻率、更低的損耗。

在高頻應(yīng)用中，D-Mode相對(duì)更有優(yōu)勢(shì)，同時(shí)其低導(dǎo)通電阻和高速開關(guān)的特性，在散熱受限的場(chǎng)景，或是需要高效率轉(zhuǎn)換的場(chǎng)景會(huì)有更好表現(xiàn)。

在驅(qū)動(dòng)電路上，由于E-Mode GaN是常閉型器件，驅(qū)動(dòng)電路會(huì)較為簡(jiǎn)單，D-Mode GaN則需要相對(duì)更復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)。同樣，如果是在現(xiàn)有的系統(tǒng)上進(jìn)行升級(jí)集成，那么E-Mode使用方式和特性與傳統(tǒng)硅MOSFET較為類似也會(huì)是一個(gè)優(yōu)勢(shì)。

在工業(yè)或汽車等環(huán)境較為惡劣的應(yīng)用中，D-Mode在高溫和高壓環(huán)境下可靠性和壽命會(huì)更高，更適合于這些應(yīng)用場(chǎng)景。