【導讀】對于使用過(guò)功率 MOSFET 的電源系統設計師來(lái)說(shuō)，升級到增強型 GaN 晶體管非常簡(jiǎn)單?；静僮魈匦苑浅Ｏ嗨?，但在高效設計中需要考慮一些特性，以便從這種新一代設備中獲得利益。
對于使用過(guò)功率 MOSFET 的電源系統設計師來(lái)說(shuō)，升級到增強型 GaN 晶體管非常簡(jiǎn)單?；静僮魈匦苑浅Ｏ嗨?，但在高效設計中需要考慮一些特性，以便從這種新一代設備中獲得利益。
注意這些電氣特性
每個(gè)半導體的功能都有其限制。這些限制通常在器件數據表中突出顯示，并作為設計人員如何創(chuàng )建不存在隱藏質(zhì)量或可靠性問(wèn)題的設計的指南。增強型 GaN 晶體管（例如 Efficient Power Conversion Corporation (EPC) 的 eGaN FET）具有與商用功率 MOSFET 類(lèi)似的額定值（允許柵極電壓除外）。VGS（施加在柵極和源極之間的電壓）正方向為 6 V，負方向為 5 V。與功率 MOSFET 相比，這些值相對較低，設計人員需要確保其布局不會(huì )出現導致柵極電壓超出這些限制的過(guò)沖。一般來(lái)說(shuō)，
典型功率 MOSFET 的閾值電壓 (VGS(TH)) 范圍為 2 – 4 V。對于 eGaN FET，VGS(TH) 的典型值為 1.4 V。然而，與功率 MOSFET 不同的是，該閾值如圖 1 所示，電壓對溫度相對不敏感。這意味著(zhù) eGaN FET 系統的抗噪能力不會(huì )像具有更高啟動(dòng) VGS(TH) 的功率 MOSFET 那樣隨溫度而降低。
導通電阻 (RDS(ON) ) 是當從柵極到源極施加 5V 電壓時(shí) eGaN FET 的電阻。RDS(ON) 將隨所施加的柵極電壓和器件的結溫而變化。與硅相比，eGaN 技術(shù)的另一個(gè)優(yōu)勢是 RDS(ON) 隨溫度增加的幅度較小，如圖 2 所示。而硅在 25°C 至 100°C 之間的 RDS(ON) 增加約 70%，而 eGaN FET顯示約 50% 的增長(cháng)。假設在 25°C 時(shí)初始 RDS(ON) 相同，這意味著(zhù)在典型 100°C 結溫下 RDS(ON) 大約降低 15%。
有一個(gè)反向二極管
與功率 MOSFET 一樣，增強型 GaN 晶體管具有反向導電的能力。然而，對于 GaN 器件，物理機制有所不同。在硅功率 MOSFET 中，FET 中集成了一個(gè) pn 二極管，并通過(guò)將少數載流子注入漏極區域來(lái)導電。該電荷在漏極區域 (QRR) 中存儲數十納秒 (tRR)，并在二極管關(guān)閉時(shí)以熱量形式消散。當您想要快速切換時(shí)，這是一個(gè)顯著(zhù)的缺點(diǎn)。在增強型GaN晶體管中，當柵極和漏極之間存在正電壓時(shí)，FET電子溝道導通，因此會(huì )發(fā)生反向導通。當電壓移除且沒(méi)有任何存儲電荷消散時(shí)，通道立即關(guān)閉（tRR=0，QRR=0）。然而，存在一個(gè)可抵消的缺點(diǎn)，即器件上的源極-漏極壓降高于同類(lèi)功率 MOSFET（見(jiàn)圖 3）。為了限度地減少這種較高 Vsd 壓降的影響并獲得 eGaN FET 的性能，有必要將死區時(shí)間保持在短水平，足以避免交叉導通。
一大優(yōu)勢——極低的電容和電荷
FET 的電容是決定器件從導通狀態(tài)轉換到關(guān)斷狀態(tài)或從關(guān)斷狀態(tài)轉換到導通狀態(tài)期間能量損失的因素。如果對施加到同一端子的一定電壓范圍內的兩個(gè)端子之間的電容進(jìn)行積分，您就可以獲得為電容器充電所需的電荷量“Q”。由于電流乘以時(shí)間等于電荷，因此通?？梢苑浅７奖愕夭榭此璧碾姾闪縼?lái)確定改變 eGaN FET 中各個(gè)端子之間的電壓的時(shí)間。圖 4 顯示了柵極電荷量 QG，必須提供該電荷量才能將柵極到源極的電壓增加到所需電壓。在此圖中，對 100 V、5.6 mΩ（典型）eGaN FET 和 80 V、4.7 mΩ（典型）功率 MOSFET 進(jìn)行了比較。大約需要 1/4 的電荷才能完全增強 eGaN FET。這意味著(zhù)更高的開(kāi)關(guān)速度和更低的開(kāi)關(guān)功率損耗。
品質(zhì)因數 (FOM)
為了有效比較功率轉換電路中功率 MOSFET 和增強型 GaN 晶體管的潛在性能，需要首先定義一些品質(zhì)因數。
MOSFET 制造商使用 FOM 來(lái)展示各代改進(jìn)并將其產(chǎn)品與其他競爭器件進(jìn)行比較，該 FOM 是給定器件的柵極電荷、QG 和 RDS(ON) 的乘積。其如此有用的原因在于，無(wú)論芯片尺寸如何，對于給定的技術(shù)或設備“一代”來(lái)說(shuō)，該 FOM 幾乎是恒定的。該 FOM 與器件性能相關(guān)，可用于預測改進(jìn)技術(shù)帶來(lái)的功率損耗改善情況，但當器件更多地用作開(kāi)關(guān)元件而非導電元件時(shí)，它對差異不太敏感。因此，我們將討論兩種不同的 FOM。個(gè)是傳統的 FOM。我們將其稱(chēng)為“整流器 FOM”，因為當 FET 用作整流器元件（例如降壓轉換器的下部晶體管）時(shí)，它適用。我們將第二個(gè) FOM 稱(chēng)為“開(kāi)關(guān) FOM”，因為它地描述了主要用作開(kāi)關(guān)元件的器件的相對性能，例如經(jīng)典降壓轉換器中的上部晶體管。在這兩種 FOM 中，開(kāi)關(guān)性能在“硬開(kāi)關(guān)”轉換器電路中更為重要。
圖 5 繪制了 eGaN FET 以及各種等效硅 MOSFET 的 RDS(ON) 與 QGD 的關(guān)系。我們可以看到，基于開(kāi)關(guān) FOM，eGaN FET 比任何等效額定電壓硅器件具有明顯的優(yōu)勢。以下是一些一般性觀(guān)察：
40 V eGaN FET 與 25 V 橫向硅器件相當。
100 V eGaN FET 與 40 V 垂直硅器件相當。
200 V eGaN FET 與 100 V 垂直硅器件相當
整流器 FOM 如圖 6 所示，并繪制了 eGaN FET 以及不同等效硅 MOSFET 的 RDS(ON) 與 QG 的關(guān)系圖。由此我們可以得出幾個(gè)結論：
40 V eGaN FET 可與的 25 V 橫向硅器件相媲美。
100 V eGaN FET 與 25 V 垂直硅器件相當
200 V eGaN FET 與 40 V 垂直硅器件相當
包裝
現在讓我們看一下 eGaN FET 和的 MOSFET 之間與封裝相關(guān)的比較。
半導體器件的封裝可提高堅固性和易于操作性。然而，與裸半導體芯片相比，封裝會(huì )降低性能，表現為導通電阻增加、電感增加、尺寸增加和熱性能降低。氮化鎵具有自隔離性，這意味著(zhù)它可以保護自身免受環(huán)境影響，因為硅片頂部的活性 GaN 元件實(shí)際上封裝在厚厚的絕緣玻璃中。GaN 的這一特性使得 EPC 的 eGaN FET 可以采用芯片級 LGA 格式進(jìn)行封裝，如圖 7 所示。采用這種封裝，eGaN FET 具有所有功率封裝中的占位面積、的封裝電阻、的封裝電感以及的固有封裝導熱率在市場(chǎng)上。
概括
在本專(zhuān)欄中，我們討論了增強型 GaN 晶體管的基本電氣和機械特性，并表明它們與當前的硅功率 MOSFET 相比具有許多明顯的優(yōu)勢。自三十多年前推出以來(lái)，硅功率 MOSFET 已經(jīng)取得了長(cháng)足的進(jìn)步，因此可以合理地假設，基本 eGaN 功率晶體管結構和幾何形狀的未來(lái)優(yōu)化將在未來(lái)幾年顯示出類(lèi)似的改進(jìn)。
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