本文档介绍了GaN功率开关器件的特性，包括共源共栅结构和工作区域。 GaN功率开关器件够以较低的反向恢复电荷在三个象限中工作，与现有的硅技术相比，具有卓越的性能。
一、Si MOS与GaN FET结构特点
氮化镓（GaN）功率开关器件包括级联配置的常关低压（LV）硅（Si）MOSFET和常开高压GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）。【以Tansphorm GaN为例进行分析】
以这种配置进行封装，Si MOSFET和GaN HEMT一起充当单个晶体管---GaN开关管。 GaN开关器件的栅极和源极由Si MOSFET的栅极和源极提供，而GaN开关的漏极由GaN HEMT的漏极提供。
在应用中，GaN开关器件的行为类似于带有低电荷体二极管的超快FET。“体二极管”是MOSFET固有的p-n结，与MOSFET沟道并联。MOSFET关断时，体二极管可以将电流从源极传导到漏极（MOSFET的反向），并且在应用中可以用作续流二极管。然而，作为双极型器件，体二极管以其正向导通模式存储少数载流子。尤其是在高压MOSFET中，在正向导通期间会存储大量的少数载流子，这会导致MOSFET的反向特性变差，例如高反向恢复电流和长反向恢复时间。相比之下，GaN功率器件由作为主要载流子器件的HV GaN HEMT和在正向传导期间固有地仅存储很少的少数载流子的LV MOSFET组成。因此，GaN功率器件在反向导通期间仅存储少量的少数载流子，同时提供与MOSFET相同的反导率。
在不损失高压体二极管的情况下，GaN具有较低的恢复电荷和较短的恢复时间，表现出巨大的性能优势。 此外，GaN下降和上升时间<10 ns运行非常快，因此可将应用中的开关损耗降至最低。
二、GaN工作特性
为了更好地理解GaN的工作原理，可以区分三种工作模式：
1、正向截止（Vgs=0，Vds>0）
a、0<Vds<-Vt
b、0<-Vt,g<Vds
2、正向导通（Vgs>Vt,s,Vds>0）
3、反向导通（Vds<0）
a、反向开通（Vgs=0,Vgs>Vt,s）
b、反向截止
其中，Vt,s是LV Si MOSFET的阈值电压，GaN HEMT的阈值电压Vt,g<0，漏极电压VDS，漏极电流ID，并且VGS,g+ VDS,s= 0。
2.1 正向截止
2.1.1 VGS=0, 0 < VDS < -Vt,GaN
在VGS = 0时，Si MOSFET关闭，并且没有电流流过Si MOSFET的沟道或GaN HEMT的沟道（ID = 0）。 当VDS <-Vt，GaN和ID〜0时，Si MOSFET的漏极电势等于GaN开关的漏极电势，VDS,Si = VDS。 在该工作区域中，开关的整个漏极电压VDS被Si MOSFET阻挡。
2.1.2 VGS=0, 0 < -Vt,GaN < VDS
随着VDS的增加，GaN HEMT的栅极电压相对于其源极电压变得越来越负，从而逐渐关闭GaN HEMT。 在VDS = –Vt,GaN时，GaN HEMT被关闭。 对于电压VDS> –Vt,GaN，GaN HEMT两端的电压降为VDS + Vt,GaN，而Vt,GaN <0。
2.2 正向导通
VGS> Vt,Si, ID,VDS > 0
当Si MOSFET导通（VGS> Vt,Si）时，线性区域中GaN开关两端的压降为
VDS=ID (RDS(on),Si + RDS(on),GaN) （1）
其中RDS（on）,Si和RDS（on）,GaN分别是Si MOSFET和GaN HEMT的导通电阻。
2.3反向导通（VDS<0）
2.3.1 反向开通
2.3.1.1 VDS<0,VGS=0
当GaN开关关闭（LV Si MOSFET关闭）并且向GaN开关施加反向电压时，电流流过LV Si MOSFET的体二极管和常开的HV GaN HEMT的沟道。
在此反向导通期间，GaN开关两端的反向电压降VSD是Si MOSFET的体二极管电压降VSD-Si与GaN沟道两端的导通电压降之和。 GaN通道两端的压降可以描述为电流IF与GaN HEMT的漏源导通电阻RDS（on）的乘积。
VSD = VSD-Si + IF*RDS(on)_GaN （2）
2.3.1.2 VDS < 0, VGS>Vt,Si
如式（2）所示，GaN开关的反向压降是电流的函数，并且高于Si MOSFET的体二极管压降。 但是，为了提高应用性能，可以通过在反向导通期间导通低压Si MOSFET来减小反向压降。 通常需要有一定的死去时间避免直通现象。
通过施加高于GaN开关的阈值电压Vt,Si的栅极电压（此处VGS> 4V），LV Si MOSFET导通，反向电流IF流经Si沟道（其沟道电阻RDS（on） ,Si）和GaN通道（带有RDS（on）,GaN）。 因此，在合理的电流水平下，IF * RDS（on）,Si <VSD-Si，并且GaN开关两端的反向电压降减小为
VSD = IF * (RDS(on),GaN+RDS(on),Si) （3）
2.3.2 反向恢复特性
为了证明GaN开关与高压MOSFET相比具有较小的反向恢复损耗，可以测试GaN开关的反向恢复。
下图显示了可用于该测试的反向恢复测试电路。 它由被测设备（DUT），电感器L1和控制开关Q1组成。
当Q1打开时，测试开始。随后，电流流过L1和Q1，DUT IF的反向电流IF = 0。然后关闭Q1，但电流仍流过L1并产生IF≠0。因此，调制Q1可以设置从电感器流到DUT的源极然后是DUT漏极的电流IF。为了观察建立IF后DUT的反向恢复，Q1再次关断，DUT从反向传导转换为正向阻塞。
为了更好地了解GaN相对于现有硅技术的优势，已经对600V Transphorm GaN开关和具有类似导通电阻的600V CFD2型（低Qrr设计）CoolMOS Si MOSFET进行了反向恢复测试。下图分别显示了GaN开关和MOSFET的反向关断波形。两个DUT均在初始电流IF = 9A和反向偏置电压VDD = 400V时进行了测试。虽然Transphorm GaN开关在450A / us且几乎没有振铃的情况下进行了测试，但CoolMOS在450A / us时并不稳定。因此，其关闭di / dt降低至100A / us以保持稳定性。 （进一步的测试表明，在不同的di / dt从100 A / us到480 A / us的情况下，GaN开关的Qrr保持不变，因此可以对这两个测量结果进行比较。）
图中的测试波形分别显示了GaN开关和低Qrr MOSFET的DUT恢复电荷Qrr为40 nC和1000 nC。GaN开关的Qrr极低，比快速恢复设计CoolMOS的Qrr小25倍。
Reverse turn-off of CoolMOS, 9A, 400V, 100A/us; Qrr = 1000nC
Reverse turn-off of Transphorm GaN device, 9A, 400V, 450A/us; Qrr = 40nC
为了进一步分析GaN开关的反向恢复电荷，可以将反向恢复电荷分为两个部分：第一，GaN HEMT的电容性电荷，第二，低压Si MOSFET的反向恢复电荷。
在IF = 0A时，Si MOSFET的反向恢复为零，因此，观察到的任何电流只能来自于开关电容QC的放电。 图7.1和图7.2显示了在Q1的不同开关速度下IF = 0A的测量结果。 可以观察到Qc〜35nC，约占总Qrr的86％。 换句话说，少数充电组成仅占整个Qrr的14％。
di = 2.6A, dt = 26.9ns, QC = 35.6nC
di = 1.25A, dt = 55.2ns, QC = 34.5nC
三、总结
GaN开关具有三种工作模式，包括正向截止，正向导通和反向导通。与Si MOSFET相比，它们的开关速度非常快，具有出色的反向关断特性。这些特性使GaN器件特别适合于硬开关无二极管桥应用，例如电机驱动逆变器，PV逆变器，图腾柱PFC以及其他相关应用。