【導(dǎo)讀】對(duì)于使用過功率 MOSFET 的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)師來說，升級(jí)到增強(qiáng)型 GaN 晶體管非常簡單。基本操作特性非常相似，但在高效設(shè)計(jì)中需要考慮一些特性，以便從這種新一代設(shè)備中獲得利益。
對(duì)于使用過功率 MOSFET 的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)師來說，升級(jí)到增強(qiáng)型 GaN 晶體管非常簡單。基本操作特性非常相似，但在高效設(shè)計(jì)中需要考慮一些特性，以便從這種新一代設(shè)備中獲得利益。
注意這些電氣特性
每個(gè)半導(dǎo)體的功能都有其限制。這些限制通常在器件數(shù)據(jù)表中突出顯示，并作為設(shè)計(jì)人員如何創(chuàng)建不存在隱藏質(zhì)量或可靠性問題的設(shè)計(jì)的指南。增強(qiáng)型 GaN 晶體管（例如 Efficient Power Conversion Corporation (EPC) 的 eGaN FET）具有與商用功率 MOSFET 類似的額定值（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?yàn)?6 V，負(fù)方向?yàn)?5 V。與功率 MOSFET 相比，這些值相對(duì)較低，設(shè)計(jì)人員需要確保其布局不會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)致柵極電壓超出這些限制的過沖。一般來說，
典型功率 MOSFET 的閾值電壓 (VGS(TH)) 范圍為 2 – 4 V。對(duì)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(duì)溫度相對(duì)不敏感。這意味著 eGaN FET 系統(tǒng)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(dǎo)通電阻 (RDS(ON) ) 是當(dāng)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(jié)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。假設(shè)在 25°C 時(shí)初始 RDS(ON) 相同，這意味著在典型 100°C 結(jié)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(qiáng)型 GaN 晶體管具有反向?qū)щ姷哪芰ΑＨ欢瑢?duì)于 GaN 器件，物理機(jī)制有所不同。在硅功率 MOSFET 中，F(xiàn)ET 中集成了一個(gè) pn 二極管，并通過將少數(shù)載流子注入漏極區(qū)域來導(dǎo)電。該電荷在漏極區(qū)域 (QRR) 中存儲(chǔ)數(shù)十納秒 (tRR)，并在二極管關(guān)閉時(shí)以熱量形式消散。當(dāng)您想要快速切換時(shí)，這是一個(gè)顯著的缺點(diǎn)。在增強(qiáng)型GaN晶體管中，當(dāng)柵極和漏極之間存在正電壓時(shí)，F(xiàn)ET電子溝道導(dǎo)通，因此會(huì)發(fā)生反向?qū)ā．?dāng)電壓移除且沒有任何存儲(chǔ)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-漏極壓降高于同類功率 MOSFET（見圖 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(qū)時(shí)間保持在短水平，足以避免交叉導(dǎo)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(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)換到關(guān)斷狀態(tài)或從關(guān)斷狀態(tài)轉(zhuǎn)換到導(dǎo)通狀態(tài)期間能量損失的因素。如果對(duì)施加到同一端子的一定電壓范圍內(nèi)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，因此通常可以非常方便地查看所需的電荷量來確定改變 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(duì) 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(qiáng) eGaN FET。這意味著更高的開關(guān)速度和更低的開關(guān)功率損耗。
品質(zhì)因數(shù) (FOM)
為了有效比較功率轉(zhuǎn)換電路中功率 MOSFET 和增強(qiáng)型 GaN 晶體管的潛在性能，需要首先定義一些品質(zhì)因數(shù)。
MOSFET 制造商使用 FOM 來展示各代改進(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，無論芯片尺寸如何，對(duì)于給定的技術(shù)或設(shè)備“一代”來說，該 FOM 幾乎是恒定的。該 FOM 與器件性能相關(guān)，可用于預(yù)測改進(jìn)技術(shù)帶來的功率損耗改善情況，但當(dāng)器件更多地用作開關(guān)元件而非導(dǎo)電元件時(shí)，它對(duì)差異不太敏感。因此，我們將討論兩種不同的 FOM。個(gè)是傳統(tǒng)的 FOM。我們將其稱為“整流器 FOM”，因?yàn)楫?dāng) FET 用作整流器元件（例如降壓轉(zhuǎn)換器的下部晶體管）時(shí)，它適用。我們將第二個(gè) FOM 稱為“開關(guān) FOM”，因?yàn)樗孛枋隽酥饕米鏖_關(guān)元件的器件的相對(duì)性能，例如經(jīng)典降壓轉(zhuǎn)換器中的上部晶體管。在這兩種 FOM 中，開關(guān)性能在“硬開關(guān)”轉(zhuǎn)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察：
40 V eGaN FET 與 25 V 橫向硅器件相當(dāng)。
100 V eGaN FET 與 40 V 垂直硅器件相當(dāng)。
200 V eGaN FET 與 100 V 垂直硅器件相當(dāng)
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(jié)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(dāng)
200 V eGaN FET 與 40 V 垂直硅器件相當(dāng)
包裝
現(xiàn)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(dǎo)體器件的封裝可提高堅(jiān)固性和易于操作性。然而，與裸半導(dǎo)體芯片相比，封裝會(huì)降低性能，表現(xiàn)為導(dǎo)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，這意味著它可以保護(hù)自身免受環(huán)境影響，因?yàn)楣杵敳康幕钚?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(jí) 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(dǎo)熱率在市場上。
概括
在本專欄中，我們討論了增強(qiáng)型 GaN 晶體管的基本電氣和機(jī)械特性，并表明它們與當(dāng)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，硅功率 MOSFET 已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步，因此可以合理地假設(shè)，基本 eGaN 功率晶體管結(jié)構(gòu)和幾何形狀的未來優(yōu)化將在未來幾年顯示出類似的改進(jìn)。
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