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摘要：新能源并网技术的进步，对电力电子器件的性能提出了更高的要求。传统电力电子器件逐步逼近理论极限。宽禁带半导体氮化镓材料（GaN）是第三代半导体材料的典型代表，有许多硅材料不具备的优异性能，在军事、民用等领域应用前景广阔。近年来，GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）被相继推出，受到广泛的关注。氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMT）在电力电子领域已经应用。高压共源共栅（Cascode）型GaN HEMT，实现了在高压场合，可以应用GaN器件。本文对Cascode型GaN HEMT的全范围输出伏安特性进行研究，分析其工作模态及条件，以及在单相全桥逆变器电路中的应用。
关键词：Cascode;GaN HEMT;特性应用;单相全桥逆变器电路
第三代半导体器件的代表为SiC和GaN。GaN器件的特性受到国内外研究者的关注。在电力电子领域中，已经使用GaN器件。氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMT）有两种类型，耗尽型、增强型。单体增强型的额定电压最高250V。驱动电压达到阀值电压，增强型GaN HEMT的器件就会导通，最大栅源电压是6V，栅极电压4.5V-5.5V，对驱动设计有较高的要求。单体耗尽型GaN HEMT驱动电压范围较宽，为-30-2V。但使用时需要负压关断，作为常通型器件，存在短路直通的风险。有两种方式可以制备高压GaN HEMT。一种是共源共栅结构（Cascode），一种是单体GaN HEMT。Cascode型GaN HEMT可以有效提升电源系统的效率，相比Si MOSFET，Cascode型GaN HEMT二极管反向恢复更优，并且开关损耗极低，具有重要的应用价值。
1Cascode型GaN HEMT器件的结构及输出伏安特性
1.1 Cascode型GaN HEMT器件结构
作为一种横向器件，耗尽型GaN HEMT的衬底是Si半导体材料，高阻性GaN晶体层由此生长。加入氮化铝绝缘层，在Si衬底层、GaN层之间。将衬底、器件隔离。AIGaN层在GaN层与漏极、源极、栅极之间。二维电子气在此之间产生，具有低阻特性以及高的电子迁移率。如果阀值电压，低于栅极和源极负向电压，激活栅极，形成二维电子气。从而导通晶体管。如果阀值电压更高，关断晶体管。为驱动高电压的GaN HEMT，通常串联使用耗尽型GaN HEMT，以及低压SiMOSFET，使用Cascode结构完成。 本文选取Transphorm公司的高压Cascode型 GaN HEMTTPH3006，由耗尽型高压GaN HEMT，与IRF8707串联，最大通态电流17A，最大耐压600V。
1.2Cascode型GaN HEMT输出伏安特性
在Cascode型GaN HEMT中，串联使用高压耗尽型GaN HEMT，以及低压SiMOSFET。为等效电路图。
Cascode型GaN HEMT驱动电压后，开始导通Si MOSFET。等效电容CDS_Si、CGD_ Si开始放电。并且CGS_GaN也随着放电，主要是由于CDS _ Si、CGS _ GaN并联。VTH _ GaN与Vgs _ GaN相同时，GaN HEMT导通。VDS _ GaN电压降低，CGD _ GaN及CDS _ GaN放电。Cascode型GaN HEMT器件600V，为输出伏安特性。
2 Cascode型GaN HEMT工作模态
2.1 正向阻断模态
当关断Si MOSFET，导通GaN HEMT，0< Vds <-VTH _GaN，Vgs=0。Si MOSFET处于关断的状态，驱动电压Vgs是0。开关管没有电流，因此Id=0。耗尽型GaN HEMT在开通状态中，因为-Vgs _GaN =-Vds _Si< Vds <-VTH _GaN。Cascode型GaN HEMT的漏源电压，是开关管中Si MOSFET承受的电压。Vds _Si与 Vds 相等。
关断GaN HEMT及Si MOSFET，-VTH _GaN< Vds。Vgs=0。Si MOSFET处于关断的状态，驱动电压Vgs是0。漏源电压Vds不断上升，如果-VTH _GaN< Vds，耗尽型GaN HEMT处于关断的状态，其驱动电压比阀值电压更低。漏源电压Vds 由耗尽型GaN HEMT、Si MOSFET共同承担。
2.2正向导通模态
如果相比Si MOSFET的阀值电压VTH _Si，Cascode型GaN HEMT的驱动电压更高，Si MOSFET导通。Cascode型GaN HEMT的漏源电压是。
2.3反向导通模态
Si MOSFET沟道处于关断的状态，Cascode型GaN HEMT驱动电压Vgs是0。漏源电压低于0，导通Si MOSFET体二极管。二极管导通压降VF，与耗尽型GaN HEMT驱动电压相同。耗尽型GaN HEMT、Si MOSFET体二极管沟道，有电流流过。Cascode型GaN HEMT漏源电压是。
施加一个较大的驱动电压给Cascode型GaN HEMT，也就是VTH _Si低于 Vds，解决反向导通压降较多的问题。在饱和区时，Si MOSFET沟道阻抗很小，处于完全导通的状态。Si MOSFET沟道由电流全部流过。Cascode型GaN HEMT漏源电压是。
如果Cascode型GaN HEMT的驱动电压比较小，VTH _Si低于 Vds。在放大区的Si MOSFET，驱动电压决定其沟道电阻。如果0>-VF ≥Vds _Si，在體二极管导通Si MOSFET，其漏源电压被压降，同时导通MOSFET沟道、体二极管，并且进行分流。Cascode型GaN HEMT漏源电压是。 2.4 反向恢复模态
导通GaN HEMT器件时，没有反向恢复，因为少数载流子不存在。反向关断Cascode型GaN HEMT，反向恢复在Si MOSFET体二极管中存在。Cascode型GaN HEMT完全关断，需要Si MOSFET压降-VTH _GaN≤ Vds _Si。
3Cascode型GaN HEMT在单相逆变器中的应用
3.1单相逆变器电路拓扑
单相全桥逆变电路拓扑以Cascode型GaN HEMT为基础。两个半桥由四个开关管组成。直流母线支撑电容为CDC。桥臂的中点连接电网，经过滤波网络。
3.2建立仿真模型
建立TPH3006 GaNHEMT仿真模型，使用LTSpice仿真软件，验证单相逆变器电路。输出功率Po为500W。并网电压Vac为220V。开关频率fs为20kHz。输入电压Vdc为380V。 仿真结果，显示应用Cascode型GaN HEMT，在单相逆变器中的工作情况。在区间t1-t2内，电感电流IL增加，S2、S3的状态是正向阻断，Sl、S4是正向导通。区间t2-t3内，电感电流IL减少，S2、S4的状态是正向阻断，S3是二极管反向续流，Sl是正向导通。区间t3-t4内，电感电流IL减少，S2、S4的状态是正向阻断，S3是沟道反向续流，Sl是正向导通。区间t4-t5内，电感电流IL减少，S2、S4的状态是正向阻断，S3是二极管反向续流，Sl是正向导通。区间t5-t6内，电感电流IL增加，S2、S3的状态是正向阻断，Sl、S4是正向导通。区间t6-t7内，电感电流IL减少，S1、S3的状态是正向阻断，S2是二极管反向续流，S4是正向导通。区间t7-t8内，电感电流IL减少，S1、S3的状态是正向阻断，S2是反向沟道导通，S4是正向导通。区间t8-t9内，电感电流IL减少，S1、S3的状态是正向阻断，S2是二极管反向续流，S4是正向导通。反向恢复过程在所有开关管关断的过程中。
3.3单相逆变器的损耗分析
关断损耗（Poff）、通态损耗（Pcon）、开通损耗（Pon）等，都是Cascode型GaN HEMT的损耗。结温影响开关管的通态阻抗。因此需分析温度与开关管的通态电阻的关系，才能准确了解开关管的损耗。
通常MOSFET体二极管的反向恢复，在桥臂换流过程中，对另一只开关管的开通电流产生影响。Cascode型GaN HEMT的反向恢复特性较好，可以忽略对Cascode型GaN HEMT开通的影响，由此可以获得平均导通损耗，以及关断损耗。开关一次Cascode型GaN HEMT，在开关管开通时，硬开关条件下，输出电容储存的能量放电，将能量释放。高频情况下，需要计算损耗的结电容。Cascode型GaN HEMT的反向恢复特性较好，开通损耗、通态损耗都是需要考虑的损耗，体二极管的关断损耗很少，可以忽略。体二极管通态压降类似开关管的通态损耗，与结温、通态电流存在相关性。不同通态电流、结温下的情况，依据数据手册曲线获取。
以S3和S4的换流过程为例，在Cascode型GaN HEMT的换流中，关断S4，电压Vds _S4升高，减少二极管反向压降。S3反向续流导通，在S4向S3换流时。开关管关断时，换流结束。GaN HEMT换流速度极快，开关管决定换流时间，不用考虑正向恢复时间。相比Si MOSFET的开通关断速度，Cascode型GaN HEMT更快。Si MOSFET的关断损耗是Cascode型GaN HEMT的兩倍，开通损耗Cascode型GaN HEMT的四倍。Si MOSFET的反向恢复特性不如Cascode型GaN HEMT。不能忽视Si MOSFET的反向恢复损耗。但可忽略Cascode型GaN HEMT的反向恢复损耗。随着温度的上升，相同温度下，Si MOSFET IPB60R190C6、TPS3006 GaN HEMT有同样的导通阻抗。结温50℃，额定功率500W时，Cascode型GaN HEMT效率大约99%，单管总损耗1.23W。Si MOSFET效率大约96.6%，单管损耗4.2W。
4结论
总之，本文详细分析了Cascode型GaN HEMT的输出伏安特性，并以此探讨不同工作模态条件，以及稳态工作模态。Cascode型GaN HEMT具有低反向恢复特性，低开关损耗，并且开关速度快，耐高压，优势明显。Cascode型GaN HEMT在单相逆变器中有良好的应用。相比Si MOSFET IPB60R190C，Cascode型GaN HEMT效率更高，可以在高压场合变换器中使用Cascode型GaN HEMT，促进变换器效率的提升。
参考文献：
[1]徐波，戈勤，沈宏昌， 等.GaN HEMT工艺的X波段发射前端多功能MMIC[J].微波学报，2017，33（6）：57-61.
[2]刘燕丽，王伟，董燕， 等.结构参数对N极性面GaN/InAlN高电子迁移率晶体管性能的影响[J].物理学报，2019，68（24）：288-294.
[3]顾子悦，吴灯鹏，程新红， 等.高阻硅基GaN晶片上MIS栅结构GaN HEMT射频器件研制[J].微波学报，2019，35（4）：16-20.
[4]崔兴涛，陈万军，施宜军， 等.栅槽刻蚀工艺对增强型GaN HEMT器件性能的影响[J].半导体技术，2019，44（4）：286-290.
[5]赵清林，崔少威，袁精， 等.低压氮化镓器件谐振驱动技术及其反向导通特性[J].电工技术学报，2019，34（z1）：133-140.
[6]班文君，朱冰.氮化镓/掺偶氮苯聚合物光栅耦合器特性研究[J].量子电子学报，2019，36（4）：506-512.
[7]程亮亮，刘争晖，徐耿钊， 等.超薄氮化镓制备及其光学性质[J].半导体技术，2019，44（10）：790-794.
[8]高凯仑，叶焱，谢晋雄， 等.一种高效率E-1/F类GaN HEMT射频功率放大器[J].微波学报，2019，35（4）：42-46，61.
[9]彭子和，秦海鸿，修强， 等.寄生电感对低压增强型GaN HEMT开关行为的影响[J].半导体技术，2019，44（4）：257-264.
[10]梁李敏，解新建，刘辉， 等.Ni离子注入和热退火对GaN形貌和磁性的影响[J].微纳电子技术，2018，55（10）：757-761.
作者简介：曾鸿志（ 1994.06-） 汉族，男， 江苏南京人， 上海海事大学物流工程专业 18级在读生硕士研究生， 研究方向：宽禁带半导体器件开关特性与应用
关键词：Cascode;GaN HEMT;特性应用;单相全桥逆变器电路
第三代半导体器件的代表为SiC和GaN。GaN器件的特性受到国内外研究者的关注。在电力电子领域中，已经使用GaN器件。氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMT）有两种类型，耗尽型、增强型。单体增强型的额定电压最高250V。驱动电压达到阀值电压，增强型GaN HEMT的器件就会导通，最大栅源电压是6V，栅极电压4.5V-5.5V，对驱动设计有较高的要求。单体耗尽型GaN HEMT驱动电压范围较宽，为-30-2V。但使用时需要负压关断，作为常通型器件，存在短路直通的风险。有两种方式可以制备高压GaN HEMT。一种是共源共栅结构（Cascode），一种是单体GaN HEMT。Cascode型GaN HEMT可以有效提升电源系统的效率，相比Si MOSFET，Cascode型GaN HEMT二极管反向恢复更优，并且开关损耗极低，具有重要的应用价值。
1Cascode型GaN HEMT器件的结构及输出伏安特性
1.1 Cascode型GaN HEMT器件结构
作为一种横向器件，耗尽型GaN HEMT的衬底是Si半导体材料，高阻性GaN晶体层由此生长。加入氮化铝绝缘层，在Si衬底层、GaN层之间。将衬底、器件隔离。AIGaN层在GaN层与漏极、源极、栅极之间。二维电子气在此之间产生，具有低阻特性以及高的电子迁移率。如果阀值电压，低于栅极和源极负向电压，激活栅极，形成二维电子气。从而导通晶体管。如果阀值电压更高，关断晶体管。为驱动高电压的GaN HEMT，通常串联使用耗尽型GaN HEMT，以及低压SiMOSFET，使用Cascode结构完成。 本文选取Transphorm公司的高压Cascode型 GaN HEMTTPH3006，由耗尽型高压GaN HEMT，与IRF8707串联，最大通态电流17A，最大耐压600V。
1.2Cascode型GaN HEMT输出伏安特性
在Cascode型GaN HEMT中，串联使用高压耗尽型GaN HEMT，以及低压SiMOSFET。为等效电路图。
Cascode型GaN HEMT驱动电压后，开始导通Si MOSFET。等效电容CDS_Si、CGD_ Si开始放电。并且CGS_GaN也随着放电，主要是由于CDS _ Si、CGS _ GaN并联。VTH _ GaN与Vgs _ GaN相同时，GaN HEMT导通。VDS _ GaN电压降低，CGD _ GaN及CDS _ GaN放电。Cascode型GaN HEMT器件600V，为输出伏安特性。
2 Cascode型GaN HEMT工作模态
2.1 正向阻断模态
当关断Si MOSFET，导通GaN HEMT，0< Vds <-VTH _GaN，Vgs=0。Si MOSFET处于关断的状态，驱动电压Vgs是0。开关管没有电流，因此Id=0。耗尽型GaN HEMT在开通状态中，因为-Vgs _GaN =-Vds _Si< Vds <-VTH _GaN。Cascode型GaN HEMT的漏源电压，是开关管中Si MOSFET承受的电压。Vds _Si与 Vds 相等。
关断GaN HEMT及Si MOSFET，-VTH _GaN< Vds。Vgs=0。Si MOSFET处于关断的状态，驱动电压Vgs是0。漏源电压Vds不断上升，如果-VTH _GaN< Vds，耗尽型GaN HEMT处于关断的状态，其驱动电压比阀值电压更低。漏源电压Vds 由耗尽型GaN HEMT、Si MOSFET共同承担。
2.2正向导通模态
如果相比Si MOSFET的阀值电压VTH _Si，Cascode型GaN HEMT的驱动电压更高，Si MOSFET导通。Cascode型GaN HEMT的漏源电压是。
2.3反向导通模态
Si MOSFET沟道处于关断的状态，Cascode型GaN HEMT驱动电压Vgs是0。漏源电压低于0，导通Si MOSFET体二极管。二极管导通压降VF，与耗尽型GaN HEMT驱动电压相同。耗尽型GaN HEMT、Si MOSFET体二极管沟道，有电流流过。Cascode型GaN HEMT漏源电压是。
施加一个较大的驱动电压给Cascode型GaN HEMT，也就是VTH _Si低于 Vds，解决反向导通压降较多的问题。在饱和区时，Si MOSFET沟道阻抗很小，处于完全导通的状态。Si MOSFET沟道由电流全部流过。Cascode型GaN HEMT漏源电压是。
如果Cascode型GaN HEMT的驱动电压比较小，VTH _Si低于 Vds。在放大区的Si MOSFET，驱动电压决定其沟道电阻。如果0>-VF ≥Vds _Si，在體二极管导通Si MOSFET，其漏源电压被压降，同时导通MOSFET沟道、体二极管，并且进行分流。Cascode型GaN HEMT漏源电压是。 2.4 反向恢复模态
导通GaN HEMT器件时，没有反向恢复，因为少数载流子不存在。反向关断Cascode型GaN HEMT，反向恢复在Si MOSFET体二极管中存在。Cascode型GaN HEMT完全关断，需要Si MOSFET压降-VTH _GaN≤ Vds _Si。
3Cascode型GaN HEMT在单相逆变器中的应用
3.1单相逆变器电路拓扑
单相全桥逆变电路拓扑以Cascode型GaN HEMT为基础。两个半桥由四个开关管组成。直流母线支撑电容为CDC。桥臂的中点连接电网，经过滤波网络。
3.2建立仿真模型
建立TPH3006 GaNHEMT仿真模型，使用LTSpice仿真软件，验证单相逆变器电路。输出功率Po为500W。并网电压Vac为220V。开关频率fs为20kHz。输入电压Vdc为380V。 仿真结果，显示应用Cascode型GaN HEMT，在单相逆变器中的工作情况。在区间t1-t2内，电感电流IL增加，S2、S3的状态是正向阻断，Sl、S4是正向导通。区间t2-t3内，电感电流IL减少，S2、S4的状态是正向阻断，S3是二极管反向续流，Sl是正向导通。区间t3-t4内，电感电流IL减少，S2、S4的状态是正向阻断，S3是沟道反向续流，Sl是正向导通。区间t4-t5内，电感电流IL减少，S2、S4的状态是正向阻断，S3是二极管反向续流，Sl是正向导通。区间t5-t6内，电感电流IL增加，S2、S3的状态是正向阻断，Sl、S4是正向导通。区间t6-t7内，电感电流IL减少，S1、S3的状态是正向阻断，S2是二极管反向续流，S4是正向导通。区间t7-t8内，电感电流IL减少，S1、S3的状态是正向阻断，S2是反向沟道导通，S4是正向导通。区间t8-t9内，电感电流IL减少，S1、S3的状态是正向阻断，S2是二极管反向续流，S4是正向导通。反向恢复过程在所有开关管关断的过程中。
3.3单相逆变器的损耗分析
关断损耗（Poff）、通态损耗（Pcon）、开通损耗（Pon）等，都是Cascode型GaN HEMT的损耗。结温影响开关管的通态阻抗。因此需分析温度与开关管的通态电阻的关系，才能准确了解开关管的损耗。
通常MOSFET体二极管的反向恢复，在桥臂换流过程中，对另一只开关管的开通电流产生影响。Cascode型GaN HEMT的反向恢复特性较好，可以忽略对Cascode型GaN HEMT开通的影响，由此可以获得平均导通损耗，以及关断损耗。开关一次Cascode型GaN HEMT，在开关管开通时，硬开关条件下，输出电容储存的能量放电，将能量释放。高频情况下，需要计算损耗的结电容。Cascode型GaN HEMT的反向恢复特性较好，开通损耗、通态损耗都是需要考虑的损耗，体二极管的关断损耗很少，可以忽略。体二极管通态压降类似开关管的通态损耗，与结温、通态电流存在相关性。不同通态电流、结温下的情况，依据数据手册曲线获取。
以S3和S4的换流过程为例，在Cascode型GaN HEMT的换流中，关断S4，电压Vds _S4升高，减少二极管反向压降。S3反向续流导通，在S4向S3换流时。开关管关断时，换流结束。GaN HEMT换流速度极快，开关管决定换流时间，不用考虑正向恢复时间。相比Si MOSFET的开通关断速度，Cascode型GaN HEMT更快。Si MOSFET的关断损耗是Cascode型GaN HEMT的兩倍，开通损耗Cascode型GaN HEMT的四倍。Si MOSFET的反向恢复特性不如Cascode型GaN HEMT。不能忽视Si MOSFET的反向恢复损耗。但可忽略Cascode型GaN HEMT的反向恢复损耗。随着温度的上升，相同温度下，Si MOSFET IPB60R190C6、TPS3006 GaN HEMT有同样的导通阻抗。结温50℃，额定功率500W时，Cascode型GaN HEMT效率大约99%，单管总损耗1.23W。Si MOSFET效率大约96.6%，单管损耗4.2W。
4结论
总之，本文详细分析了Cascode型GaN HEMT的输出伏安特性，并以此探讨不同工作模态条件，以及稳态工作模态。Cascode型GaN HEMT具有低反向恢复特性，低开关损耗，并且开关速度快，耐高压，优势明显。Cascode型GaN HEMT在单相逆变器中有良好的应用。相比Si MOSFET IPB60R190C，Cascode型GaN HEMT效率更高，可以在高压场合变换器中使用Cascode型GaN HEMT，促进变换器效率的提升。
参考文献：
[1]徐波，戈勤，沈宏昌， 等.GaN HEMT工艺的X波段发射前端多功能MMIC[J].微波学报，2017，33（6）：57-61.
[2]刘燕丽，王伟，董燕， 等.结构参数对N极性面GaN/InAlN高电子迁移率晶体管性能的影响[J].物理学报，2019，68（24）：288-294.
[3]顾子悦，吴灯鹏，程新红， 等.高阻硅基GaN晶片上MIS栅结构GaN HEMT射频器件研制[J].微波学报，2019，35（4）：16-20.
[4]崔兴涛，陈万军，施宜军， 等.栅槽刻蚀工艺对增强型GaN HEMT器件性能的影响[J].半导体技术，2019，44（4）：286-290.
[5]赵清林，崔少威，袁精， 等.低压氮化镓器件谐振驱动技术及其反向导通特性[J].电工技术学报，2019，34（z1）：133-140.
[6]班文君，朱冰.氮化镓/掺偶氮苯聚合物光栅耦合器特性研究[J].量子电子学报，2019，36（4）：506-512.
[7]程亮亮，刘争晖，徐耿钊， 等.超薄氮化镓制备及其光学性质[J].半导体技术，2019，44（10）：790-794.
[8]高凯仑，叶焱，谢晋雄， 等.一种高效率E-1/F类GaN HEMT射频功率放大器[J].微波学报，2019，35（4）：42-46，61.
[9]彭子和，秦海鸿，修强， 等.寄生电感对低压增强型GaN HEMT开关行为的影响[J].半导体技术，2019，44（4）：257-264.
[10]梁李敏，解新建，刘辉， 等.Ni离子注入和热退火对GaN形貌和磁性的影响[J].微纳电子技术，2018，55（10）：757-761.
作者简介：曾鸿志（ 1994.06-） 汉族，男， 江苏南京人， 上海海事大学物流工程专业 18级在读生硕士研究生， 研究方向：宽禁带半导体器件开关特性与应用