保護(hù) USB 端口、不同電源供電的設(shè)備的開關(guān)電路以及高側(cè)負(fù)載開關(guān)免受浪涌影響，都依賴于雙向電壓阻斷和電流傳導(dǎo)。到目前為止，設(shè)計(jì)人員只能使用兩個(gè)在共源極配置中背對(duì)背連接的N 型MOSFET來實(shí)現(xiàn)此目的。該方法涉及兩個(gè)組件，并且由于導(dǎo)通電阻 (RDS(on))、安全工作區(qū) (SOA) 和其他特性而受到限制（圖 1）。雙向氮化鎵 (BiGaN) 開關(guān)是一種創(chuàng)新解決方案，可降低功耗并大大減少占地面積。

　

　　圖 1：使用背對(duì)背連接的 N 型 MOSFET 來提供雙向電壓阻斷是一個(gè)有點(diǎn)大的解決方案，具有性能限制（來源德州儀器）
　　由于其垂直結(jié)構(gòu)，MOSFET 具有很大的集成困難。在單個(gè)芯片上集成兩個(gè) FET 非常具有挑戰(zhàn)性，其成本、RDS(on) 和電壓值對(duì)于大約 30 V 及以上的器件而言是的。相比之下，由于 GaN 高電子遷移率場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (HEMT) 的側(cè)面結(jié)構(gòu)并且沒有寄生二極管，因此制造單片雙向 GaN 開關(guān)非常簡(jiǎn)單。
　　更低的泄漏和空間要求
　　在智能手機(jī)電池管理系統(tǒng)中使用過壓保護(hù) (OVP) 開關(guān)旨在限制總損耗，同時(shí)保持盡可能小的占地面積。在這個(gè)特定應(yīng)用中，斷路器阻斷傳導(dǎo)電壓或電流，而不需要在兩種狀態(tài)之間頻繁切換。因此，柵極充電不會(huì)造成明顯的開關(guān)損耗。總損耗基本上僅由傳導(dǎo)損耗以及器件的總導(dǎo)通電阻決定。
　　傳統(tǒng)上，OVP 功能是通過背對(duì)背連接的分立 MOSFET 來實(shí)現(xiàn)的。新的 BiGaN 器件技術(shù)的尺寸比普通的單 GaN HEMT 稍大。與在雙向開關(guān)配置中采用兩個(gè)分立器件相比，該設(shè)計(jì)的導(dǎo)通電阻要低得多，并且提供了更緊湊的解決方案。
　　在傳統(tǒng) MOSFET 中，RDS （導(dǎo)通）是器件完全導(dǎo)通時(shí)漏極和源極之間的電阻。 BiGaN器件的對(duì)應(yīng)值為RDD(on)，即器件完全導(dǎo)通時(shí)兩個(gè)漏極之間的電阻。該封裝可以對(duì)導(dǎo)通電阻做出重大貢獻(xiàn)。 BiGaN 器件的橫向結(jié)構(gòu)提供的寄生電阻，有助于減少傳導(dǎo)損耗和熱耗散。其緊湊性還保證了出色的“導(dǎo)通電阻*面積”(Ron*A) 性能，這是系統(tǒng)小型化的一個(gè)重要因素。，單個(gè) BiGaN 器件取代了兩個(gè) MOSFET，從而顯著減少了占地面積并簡(jiǎn)化了材料清單。
　　評(píng)估 BiGaN 器件的個(gè)選擇是保留現(xiàn)有的面積和占用空間，這大大降低了導(dǎo)通電阻值，從而限制了充電時(shí)的溫升。另一方面，BiGaN 顯著減少了 OVP 功能的占地面積，同時(shí)保持良好的導(dǎo)通電阻，從而保持良好的效率。圖 2 突出顯示了通過使用 BiGaN 器件調(diào)節(jié)智能手機(jī)電池電量所獲得的結(jié)果。

　

　　圖 2：BiGaN 方法在手機(jī)中取得的改進(jìn)百分比值
　　SOA 和分散
　　安全操作區(qū) (SOA) 是負(fù)載開關(guān)應(yīng)用中的一個(gè)重要元素。此參數(shù)指定允許設(shè)備正常運(yùn)行而不會(huì)損壞或性能下降的電壓和電流組合。限制 SOA 的因素包括 R值以及某些封裝和散熱方面。由于閾值電壓 (Vth) 的負(fù)溫度系數(shù)，提高硅 MOSFET 的 SOA 很復(fù)雜。由于 GaN 器件中的 VTH 值隨溫度變化較小，因此 BiGaN 技術(shù)即使在高溫下也能保持更好的 SOA 性能。
　　使用雙向電壓阻斷的應(yīng)用中的另一個(gè)重要因素是柵極泄漏。 Si MOSFET 具有出色的柵極漏電性能。在這些器件中，柵極通過柵極電介質(zhì)（氧化物）與溝道絕緣，從而在 25 °C 時(shí)漏電流小于 μA。當(dāng)溫度升高時(shí)，Si MOSFET 的 Vth 值會(huì)下降，而漏電流會(huì)增加。
　　BiGaN 器件具有獨(dú)特的柵極結(jié)構(gòu)，可以將其描述為兩個(gè)背對(duì)背連接的二極管。如果沒有適當(dāng)?shù)目刂疲珺iGaN 器件的柵極泄漏會(huì)比 Si MOSFET 更多。這種需求對(duì)于在智能手機(jī)中實(shí)施該解決方案至關(guān)重要。
　　BiGaN 器件的控制
　　與 Si 背靠背 MOSFET 一起使用的電流驅(qū)動(dòng)器也可以與 BiGaN 技術(shù)一起使用，前提是驅(qū)動(dòng)電壓為 5 V。就智能手機(jī)而言，大多數(shù)充電器 IC 與具有 5 V 柵極驅(qū)動(dòng)器的 HEMT GaN 晶體管兼容。

　　柵極電壓必須至少高于 Drain1 或 Drain2 的 V th (~1.7 V) 才能開啟 BiGaN 器件。要關(guān)閉它并阻止任一方向的電流流動(dòng)，從柵極到漏極的電壓（VGD1和V GD2）必須小于 V th或柵極接地（地）。 BiGan 在 5 V 應(yīng)用中可由電荷泵驅(qū)動(dòng)（圖 3）。當(dāng) EN 為低電平時(shí)，柵極電壓為零，BiGaN 將關(guān)閉。當(dāng) EN 為高電平時(shí)，柵極電壓將被泵壓至 V IN + 5V，BiGaN 將導(dǎo)通，V OUT將等于 V IN。

　　圖 3：BiGaN 器件可使用電荷泵和標(biāo)準(zhǔn) 5 V 柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 在 5 V 應(yīng)用中打開和關(guān)閉
　　具有 5 V 柵極驅(qū)動(dòng)器的 IC 通常僅限于在智能手機(jī)應(yīng)用中使用。此類應(yīng)用使用電壓約為 10 V 的驅(qū)動(dòng)器，旨在從 Si MOSFET 獲得盡可能的 RDS （導(dǎo)通）值。這些驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)電壓高于柵極額定值，因此不能直接驅(qū)動(dòng) GaN HEMT。在這些應(yīng)用中，可以使用帶有齊納二極管（D1 和 D2）的終端電路在電壓低于 6V 時(shí)連接 V GD （圖 4）。為了實(shí)現(xiàn)漏極到柵極阻斷，二極管 D4 和 D5 的擊穿電壓大于 40 V。

　

　　圖 4：由于采用齊納二極管鉗位電路，BiGaN 器件可以與通常用于 Si MOSFET 的更高電壓柵極驅(qū)動(dòng)器一起運(yùn)行