中文引用格式： 嚴(yán)張哲，周建軍，孔月嬋. 硅基GaN功率器件與驅(qū)動(dòng)集成設(shè)計(jì)[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用，2025，51(5)：15-20.
英文引用格式： Yan Zhangzhe，Zhou Jianjun，Kong Yuechan. Integrated design of GaN-on-Si power devices and drivers[J]. Application of Electronic Technique，2025，51(5)：15-20.
引言
GaN作為第三代半導(dǎo)體材料，具有帶隙寬和遷移率高的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于射頻和電源領(lǐng)域[1-2]。近年來(lái)，Si電源模塊的工作頻率一般在150 kHz[3]，而搭載GaN功率器件的電源模塊工作頻率已經(jīng)達(dá)到1 MHz[4]，并且具有更高的功率密度和效率，因此GaN功率器件在高效小型化電源領(lǐng)域更有優(yōu)勢(shì)。
處理器的低壓控制信號(hào)無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)功率器件，需要經(jīng)過(guò)專(zhuān)用的驅(qū)動(dòng)電路轉(zhuǎn)化成大電流信號(hào)。目前行業(yè)上主要采用分立的驅(qū)動(dòng)方案，通過(guò)Si驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)GaN功率器件。Si驅(qū)動(dòng)芯片以高壓BCD工藝為主，德州儀器（Texas Instruments，TI）[5]、英飛凌（Infineon）[6]和安森美（Onsemi）[7]等廠商已經(jīng)有相關(guān)產(chǎn)品。Si驅(qū)動(dòng)芯片與GaN功率器件一般采用電路板或者鍵合絲的方式連接，兩者連接處寄生電感較大，當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率較高時(shí)，由寄生引起的柵極振蕩將影響GaN功率器件的正常工作，極大地限制了GaN功率器件的工作頻率和可靠性[8]。針對(duì)上述問(wèn)題，目前有兩套方案：優(yōu)化分立式驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，或者將驅(qū)動(dòng)電路和功率器件集成化設(shè)計(jì)。
分立式的驅(qū)動(dòng)電路優(yōu)化方案分以下兩種：(1)設(shè)計(jì)上加入噪聲抑制、負(fù)反饋或者自適應(yīng)調(diào)節(jié)電路。2019年，美國(guó)安森美推出了專(zhuān)用于驅(qū)動(dòng)GaN的NCP51820[7]，該產(chǎn)品加入了共模噪聲抑制和死區(qū)可調(diào)控的設(shè)計(jì)，提高了抗干擾能力的同時(shí)降低了損耗。(2)對(duì)驅(qū)動(dòng)和功率器件進(jìn)行隔離。思佳訊（Skyworks）的SI8274GB1-IS1[9]片上進(jìn)行電容隔離，具有極強(qiáng)的抗擾度，但是設(shè)計(jì)封裝難度較大，成本較高。
集成化設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)級(jí)集成和單片集成。TI的LMG3422R030[10]將Si驅(qū)動(dòng)芯片和GaN功率器件進(jìn)行SiP系統(tǒng)級(jí)封裝。Navitas推出的單片集成功率芯片NV6115[11]，由于規(guī)避封裝引線(xiàn)和PCB走線(xiàn)帶來(lái)的寄生電感，抗干擾能力有較大提升。東南大學(xué)等高校也在進(jìn)行集成芯片的研發(fā)，但是國(guó)內(nèi)目前仍沒(méi)有出現(xiàn)成熟的商用芯片。
本文在GaN-on-Si工藝平臺(tái)上設(shè)計(jì)了一款單片集成GaN功率芯片，芯片集成300 V功率管和驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)電路中加入了基準(zhǔn)電路和欠壓保護(hù)電路設(shè)計(jì)，開(kāi)關(guān)頻率能達(dá)到2 MHz，驅(qū)動(dòng)輸出上升下降時(shí)間均小于5 ns，滿(mǎn)足電源模塊小型化、高可靠的設(shè)計(jì)要求。
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作者信息：
嚴(yán)張哲1，2，周建軍1，2，孔月嬋1，2
（1.南京電子器件研究所，江蘇 南京210016；
2.固態(tài)微波器件與電路全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京210016）
