【Transphorm】2024年Normally-off_D-mode氮化镓晶体管的根本优势白皮书_11页_3mb

白皮书总结：Normally-off D-Mode 氮化镓晶体管的根本优势

核心内容

本白皮书主要探讨了氮化镓（GaN）功率晶体管中，Normally-off D-mode（常闭耗尽型）与Normally-off E-mode（常闭增强型）两种技术路线的性能对比。通过分析材料特性、结构设计、应用限制以及实际测试数据，强调了D-mode在多个关键性能指标上优于E-mode。

主要观点

1. 氮化镓晶体管的材料优势

• 二维电子气（2DEG） 是GaN晶体管成功的关键，其具有极高的电子迁移率（高达 $2000 \mathrm{~cm}^{2}/\mathrm{V} \cdot \mathrm{s}$）和电荷密度。
• 2DEG的自然存在使D-mode晶体管在无外部栅极电压时即处于导通状态，因此称为“常开型”。
• D-mode晶体管通过施加负偏压来关闭2DEG沟道，实现“常闭”操作，从而满足故障安全需求。

2. Normally-off E-mode的局限性

• E-mode晶体管 需要通过p-GaN层来限制2DEG的浓度，以实现常闭操作。
• 这种设计会降低2DEG的性能，导致更高的单位面积电阻、更低的电容放电效率以及动态阈值电压问题。
• 动态导通电阻（RDS(ON)） 在E-mode中显著增加，尤其是在高温下，其温度系数高达2.6倍，导致更高的导通损耗。
• E-mode器件还面临栅极隔离不足、阈值电压漂移敏感性以及**最大额定电压限制（650V）**等问题。

3. Normally-off D-mode的优势

• D-mode晶体管通过将GaN HEMT与低压硅MOSFET结合，实现常闭操作，同时保留了GaN的高性能与高可靠性。
• 栅极隔离由硅MOSFET提供，具有更高的耐压能力和更宽的驱动范围（+/-20V）。
• D-mode晶体管的**跨导（gm）**不受温度影响，且具有更低的反向恢复电荷（Qrr）和更高的效率。
• 在高温和高功率条件下，D-mode晶体管表现更稳定，且在双向开关应用中更具优势。

4. 实际应用表现

• Transphorm的Normally-off D-mode器件（SuperGaN）在实际应用中表现优异，例如在280瓦电源适配器中，相比E-mode器件，实现了更高的效率和显著的温度降低（高达50%）。
• 尽管D-mode器件的数据表导通电阻比E-mode高30%，但其整体性能仍然更优，因硅MOSFET仅贡献了极小部分的总电阻。

5. 封装与集成优势

• D-mode晶体管支持多种标准封装，如通孔、表面贴装和多芯片模块，且具有良好的封装兼容性。
• 采用芯片堆叠和引线键合技术，可有效降低寄生电感，提升系统性能。
• D-mode结构适合系统级封装集成，支持栅极驱动器和控制器的无缝集成，增强设计灵活性。

关键信息

• 2DEG沟道 是GaN晶体管的核心优势，D-mode结构能最大化利用这一特性。
• E-mode晶体管通过p-GaN层实现常闭，但会牺牲性能、可靠性和效率。
• D-mode晶体管在高温性能、动态导通电阻、封装兼容性、系统集成性等方面表现更优。
• Transphorm的Normally-off D-mode技术平台（SuperGaN）已通过JEDEC和AEC-Q101认证，具备广泛的市场应用潜力。
• D-mode晶体管具有更高的短路耐受时间（SCWT），达到5微秒，满足商用栅极驱动器需求。

误区澄清

误区一：硅MOSFET会增加导通电阻和反向恢复电荷

• 实际上，硅MOSFET在D-mode结构中仅贡献极小部分的总电阻和电容，因此不会显著影响整体性能。
• D-mode器件的FOM（Ron*Qrr）显著优于E-mode，表明其在效率和性能方面具有明显优势。

误区二：Normally-off E-mode器件没有Qrr

• E-mode器件虽然不涉及双极性输运，但其仍然具有反向恢复电荷（Qrr），等于输出电容（Qoss）。
• 因此，Qrr并非为零，且对电路设计有重要影响。

误区三：D-mode GaN会振荡

• D-mode GaN具有高增益，有助于快速开关，但需通过合理设计（如最小化环路电感、选择合适的栅极电阻等）来防止振荡。
• 正确的电路设计可以提升性能并抑制EMI。

结论

Normally-off D-mode氮化镓晶体管在材料特性、结构设计、性能表现和实际应用中均展现出优于E-mode的特性。Transphorm的SuperGaN技术平台通过结合GaN和硅技术，实现了高性能、高可靠性和广泛的适用性，是下一代电力电子解决方案的理想选择。