表征 GaN 功率器件

功率氮化鎵 (GaN) 器件是功率設(shè)計(jì)人員工具箱中令人興奮的補(bǔ)充。特別是在希望探索 GaN 更高的開關(guān)頻率如何導(dǎo)致更高的效率和更高的功率密度的情況下尤其如此。RF GaN 是一項(xiàng)成熟的技術(shù)，可用于蜂窩基站和多個(gè)軍事/航空航天系統(tǒng)的功率放大器的大批量生產(chǎn)，因?yàn)樗哂袃?yōu)于硅的優(yōu)勢(shì)。

壽命預(yù)測(cè)因素

Power GaN 落后于 RF GaN，因?yàn)閷?shí)施多個(gè)供應(yīng)商使用的成本降低策略需要時(shí)間。最值得注意的是轉(zhuǎn)向 6 英寸硅基板和成本更低的塑料封裝。電源設(shè)計(jì)人員必須了解 GaN 的性能改進(jìn)承諾，以及隨著時(shí)間的推移會(huì)影響最終產(chǎn)品性能的一些退化機(jī)制。

聯(lián)合電子器件工程委員會(huì) (JEDEC) 的硅認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)已被證明是產(chǎn)品壽命的良好預(yù)測(cè)指標(biāo)，但目前沒有針對(duì) GaN 的等效標(biāo)準(zhǔn)。為了降低使用新技術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)，審慎的做法是查看應(yīng)用新技術(shù)的特定用例和環(huán)境限制，并建立可以強(qiáng)調(diào)和監(jiān)測(cè)變化的原型。大量原型的實(shí)時(shí)監(jiān)控帶來了一些有趣的工程挑戰(zhàn)，尤其是當(dāng) GaN 器件電壓可以接近 1000 V 并且 dv/dts 大于 200 V/ns 時(shí)。

確定功率 FET 是否能夠滿足預(yù)期用例的一種常用圖表是安全工作區(qū) (SOA) 曲線。

硬開關(guān)設(shè)計(jì)

功率 GaN FET 用于硬開關(guān)和多兆赫諧振設(shè)計(jì)。零電壓 (ZVS) 或零電流 (ZCS) 拓?fù)涠荚跀?shù)千瓦以上進(jìn)行演示。SOA 曲線最受力的區(qū)域是右上角的最高電壓和最高電流區(qū)域。由于多種機(jī)制，在該硬開關(guān)區(qū)域中運(yùn)行功率 GaN FET 會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力增加。最容易理解的是熱應(yīng)力。例如，使用感應(yīng)開關(guān)測(cè)試電路，可以使器件從關(guān)閉時(shí)的大約零電流(漏極上的電壓為幾百伏)切換到開啟時(shí)的幾乎瞬間 10 A 的電流。

器件兩端的電壓乘以通過它的電流就是瞬時(shí)功耗，在本例中，在轉(zhuǎn)換過程中可能大于 500 瓦。對(duì)于 5 mm x 2 mm 的典型功率 GaN 器件尺寸，這將是 50 W/mm2。SOA 曲線顯示在該區(qū)域中只能支持短脈沖操作，這不足為奇。由于器件的熱限制和封裝，SOA 曲線的右上角被視為脈沖寬度的函數(shù)。由于曲線中的熱時(shí)間常數(shù)，較短的脈沖導(dǎo)致較少的加熱。增強(qiáng)型封裝技術(shù)可用于將結(jié)殼的熱阻抗從約 15°C/W 降低至低至 1.2°C/W。由于器件發(fā)熱減少，這會(huì)擴(kuò)大 SOA。

SOA 曲線

Texas Instruments 擁有一系列標(biāo)準(zhǔn)尺寸的功率 MOSFET、DualCool? 和 NexFET?。這些 MOSFET 通過其封裝的頂部和底部散熱，可提供比傳統(tǒng)封裝封裝多 50% 的電流。這使設(shè)計(jì)人員可以靈活地使用更高的電流，而無需增加終端設(shè)備的尺寸。GaN FET 的一大優(yōu)勢(shì)是與硅 FET 相比，開關(guān)時(shí)間非常短。此外，減少的電容和沒有 Qrr 會(huì)導(dǎo)致開關(guān)損耗大大降低。當(dāng)器件切換時(shí)，電壓乘以電流的積分就是器件必須消耗的功率量。較低的損耗導(dǎo)致較低的器件溫度和擴(kuò)展的 SOA。

SOA 曲線上標(biāo)出的另一個(gè)重要區(qū)域受到 Rds-On 的限制。這就是器件兩端的電壓只是通過它的電流乘以導(dǎo)通時(shí)的電阻。在所示的示例 SOA 曲線中，Rds-On 為 100 mΩ。硅 MOSFET 在其 Rds-On 中具有已知的溫度依賴性。隨著器件溫度從 25oC 上升到 ~100oC，它們的 Rds-On 大約增加了一倍。