GAN功率器件在机器人上的应用实践

来源：硬蛋攻城狮

1 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。

2 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。

3 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))。

4 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。

5 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(yǐ)0V/12V电(diàn)平(píng)进(jìn)行(xíng)关/开(kāi)的(de)控(kòng)制(zhì)。但(dàn)需(xū)要(yào)注(zhù)意(yì)的(de)是(shì)，尽(jǐn)管(guǎn)驱(qū)动(dòng)电(diàn)路和(hé)Si MOS相(xiāng)同(tóng)，但(dàn)由(yóu)于(yú)级(jí)联(lián)架(jià)构(gòu)的(de)D-mode GaN的(de)开(kāi)关频(pín)率(lǜ)和(hé)速(sù)度(dù)远(yuǎn)高(gāo)于(yú)传(chuán)统(tǒng)的(de)Si MOS，所(suǒ)以(yǐ)要(yào)求(qiú)驱(qū)动(dòng)IC能(néng)够(gòu)在(zài)很(hěn)高(gāo)的(de)dv/dt环(huán)境(jìng)下(xià)正(zhèng)常(cháng)工(gōng)作(zuò)。

5.2 E-Mode GAN驱(qū)动(dòng)

不(bù)同(tóng)于(yú)D-mode GaN通(tōng)过(guò)级(jí)联(lián)低(dī)压(yā)Si MOS来(lái)实(shí)现(xiàn)常(cháng)关型(xíng)，E-mode GaN直(zhí)接(jiē)对(duì)GaN栅(zhà)极(jí)进(jìn)行(xíng)p型(xíng)掺(càn)杂(zá)来(lái)修(xiū)改(gǎi)能(néng)带(dài)结(jié)构(gòu)，改(gǎi)变(biàn)栅(zhà)极(jí)的(de)导(dǎo)通(tōng)阈(yù)值(zhí)，从(cóng)而(ér)实(shí)现(xiàn)常(cháng)断(duàn)型(xíng)器(qì)件(jiàn)。根(gēn)据(jù)栅(zhà)极(jí)结(jié)构(gòu)不(bù)同(tóng)，E-mode GaN又(yòu)分(fēn)为(wèi)欧(ōu)姆(mǔ)接(jiē)触(chù)的(de)电(diàn)流(liú)型(xíng)和(hé)肖(xiào)特(tè)基(jī)接(jiē)触(chù)的(de)电(diàn)压(yā)型(xíng)两(liǎng)种(zhǒng)技(jì)术(shù)路线(xiàn)，其(qí)中(zhōng)电(diàn)压(yā)型(xíng)E-mode GaN最(zuì)为(wèi)主流(liú)。

GaN/Si MOS/IGBT 不(bù)同(tóng)状(zhuàng)态(tài)下(xià)电(diàn)流(liú)路径

考(kǎo)虑(lǜ)E-mode GaN的(de)以(yǐ)上(shàng)驱(qū)动(dòng)特(tè)性(xìng)，对(duì)驱(qū)动(dòng)器(qì)和(hé)驱(qū)动(dòng)电(diàn)路的(de)设(shè)计(jì)一(yī)般(bān)需(xū)要(yào)满(mǎn)足(zú)：

具(jù)备(bèi)100V/ns以(yǐ)上(shàng)的(de)CMTI，以(yǐ)满(mǎn)足(zú)高(gāo)频(pín)应(yīng)用(yòng)的(de)抗(kàng)扰(rǎo)能(néng)力(lì);

可(kě)提(tí)供(gōng)5~6V的(de)驱(qū)动(dòng)电(diàn)压(yā)，并(bìng)且(qiě)驱(qū)动(dòng)器(qì)最(zuì)好(hǎo)集成(chéng)输(shū)出(chū)级(jí)LDO;

驱动器(qì)最(zuì)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

6 损耗

6.1 双脉冲测试

双脉(mài)冲(chōng)测(cè)试(shì)可(kě)以(yǐ)获(huò)取(qǔ)开(kāi)关管(guǎn)开(kāi)关过(guò)程(chéng)中(zhōng)的(de)参(cān)数(shù)，通(tōng)过(guò)测(cè)试(shì)结(jié)果(guǒ)评(píng)估(gū)驱(qū)动(dòng)电(diàn)阻(zǔ)是(shì)否(fǒu)合(hé)适(shì)，是(shì)否(fǒu)需(xū)要(yào)吸(xī)收(shōu)电(diàn)路等(děng)。而(ér)且(qiě)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(liàng)值(zhí)，对(duì)测(cè)试(shì)仪(yí)器(qì)有(yǒu)很(hěn)大(dà)要(yào)求(qiú)，一(yī)般(bān)采用(yòng)高(gāo)压(yā)探(tàn)头(tóu)取(qǔ)Vge、Vce，罗(luō)氏(shì)线(xiàn)圈(quān)电(diàn)流(liú)探(tàn)头(tóu)取(qǔ)Ic，对(duì)于(yú)驱(qū)动(dòng)信(xìn)号(hào)可(kě)以(yǐ)采用(yòng)普(pǔ)通(tōng)探(tàn)头(tóu)获(huò)得(de)。同(tóng)时(shí)，对(duì)探(tàn)头(tóu)进(jìn)行(xíng)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(fǎng)真(zhēn)结(jié)果(guǒ)可(kě)见(jiàn)，下(xià)管(guǎn)采样(yàng)电(diàn)阻(zǔ)杂(zá)感(gǎn)等(děng)寄(jì)生(shēng)参(cān)数(shù)影(yǐng)响(xiǎng)波(bō)形(xíng)，形(xíng)成(chéng)LC震(zhèn)荡(dàng)。下(xià)管(guǎn)开(kāi)通(tōng)时(shí)，由(yóu)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。