一种新型高能效低成本功率器件 ——联栅晶体管GAT

联栅晶体管GAT（Gate  Associated   Transistor）是电压型静电感应晶体管（SIT）和电流型双极型晶体管（BJT）的复合型晶体管（见图1）。

联栅功率管采用联栅架构，即多晶硅发射极和栅上无铝仅在栅区汇流条上布铝的架构，使元胞细微化（8-15um），突破电流型器件因元胞大（BJT 为100-150um）电流不均匀、集边效应和关断挤断等瓶颈，带来开关速度快、频率高、高可靠和高能效的新性能，同时兼具原电流型器件大电流、成本低的优势。GAT适用于400V~1200V，频率100KHz以下场景。

图1  GAT结构示意图                 图2 BJT版图                          图3 GAT版图

表1 几种功率器件参数比较

一、高能效

（一）静态功耗

         图4  功率管的电流输出特性曲线                                    图5 GAT电流输出特性曲线簇

IGBT有一个0.7V的弯头，轻载下，面比电阻很大。

SiC MOS成本高，小管芯做大功率，实用电流密度达到2.5A/mm2（工作在B点）。GAT成本低，可使用大管芯，实用电流密度0.5A/mm2（工作在A点）。

GAT工作在弱正温度系数区域，开通驱动功耗折合成导通压降的部分，随着温度升高而减小。

GAT在大电流下很快进入线性放大区，自动限流，实现了自动保护（双极型电流特性）。

（二）动态功耗

动态功耗主要取决于电流拖尾。从电流下降波形看，SiC MOS的电流波形容易发生振荡，GAT不容易发生振荡。在几十KHz的工作频率下，SiC MOS与GAT的动态功耗相当。

  图6  SiC MOS 电流下降波形                            图7  GAT电流下降波形

二、实际工作频率

SIC的频率很高，但采用MOS架构做器件，实际工作频率远低于预期。原因是SiC MOS的栅氧化层只有MOS的一半厚，电场强度却是MOS的2.5倍，容易发生栅穿。工作频率高，则dI/dt  dV/dt 高，杂散电感和杂散电容产生的电压尖峰和电流尖峰更高，更容易击穿栅氧化层。因此SiC  MOS 的实用频率一般取20KHz左右。

GAT的联栅架构没有栅穿问题，实际工作频率可达50-100KHz。可匹配更小的电感和电容，优化散热系统，增大整机功率密度。

三、最高工作温度

   图8  GAT 200℃输出                                        图9 GAT的HFE-IC的关系曲线簇

注图8：T1=25℃ T2=100℃ T3=150℃  T4=200℃  T5=250℃ 工作点为200mA。

图8说明：

1.GAT能够正常工作在250°C。实验：壳温250-260°C下正常工作48小时。

2 .GAT在200--250°C的导通压降比25°C增加<10%（电流放大倍数降低<10%）。

机理：小电流GAT工作在负温度系数区，大电流下GAT工作在正温度系数区，总体来说，GAT工作在零温度系数区附近。

四、低电压等级规范

GAT过压能力强，可以采用更低的电压规格做同等电压型功率器件等级。

实验验证：450V 联栅功率管 GAT 用于LED 中，开机瞬间3个电压900V尖峰，8000次开关，冲击24000次不坏。

五、GAT的电流能力

表2  GAT电流规格（单颗管芯）

备注：*产品设计中，以实际开发品种为准。

六、GAT的驱动接口线路

GAT的缺点是驱动功耗比较大，驱动比电压型器件复杂。

GAT的驱动，可以从原有驱动线路的输出经过转换，连接下面的接口。

正电源1.5V，电流能力为 Ic / 5，负电源-5V，电流能力为 Ic / 20。

图10  GAT的驱动参考方案