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[導讀]功率氮化鎵 (GaN) 器件是功率設計人員工具箱中令人興奮的補充。特別是在希望探索 GaN 更高的開關頻率如何導致更高的效率和更高的功率密度的情況下尤其如此。RF GaN 是一項成熟的技術，可用于蜂窩基站和多個軍事/航空航天系統(tǒng)的功率放大器的大批量生產，因為它具有優(yōu)于硅的優(yōu)勢。

功率氮化鎵 (GaN) 器件是功率設計人員工具箱中令人興奮的補充。特別是在希望探索 GaN 更高的開關頻率如何導致更高的效率和更高的功率密度的情況下尤其如此。RF GaN 是一項成熟的技術，可用于蜂窩基站和多個軍事/航空航天系統(tǒng)的功率放大器的大批量生產，因為它具有優(yōu)于硅的優(yōu)勢。

壽命預測因素

Power GaN 落后于 RF GaN，因為實施多個供應商使用的成本降低策略需要時間。最值得注意的是轉向 6 英寸硅基板和成本更低的塑料封裝。電源設計人員必須了解 GaN 的性能改進承諾，以及隨著時間的推移會影響最終產品性能的一些退化機制。

聯(lián)合電子器件工程委員會 (JEDEC) 的硅認證標準已被證明是產品壽命的良好預測指標，但目前沒有針對 GaN 的等效標準。為了降低使用新技術的風險，審慎的做法是查看應用新技術的特定用例和環(huán)境限制，并建立可以強調和監(jiān)測變化的原型。大量原型的實時監(jiān)控帶來了一些有趣的工程挑戰(zhàn)，尤其是當 GaN 器件電壓可以接近 1000 V 并且 dv/dts 大于 200 V/ns 時。

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

硬開關設計

功率 GaN FET 用于硬開關和多兆赫諧振設計。零電壓 (ZVS) 或零電流 (ZCS) 拓撲都在數千瓦以上進行演示。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。由于多種機制，在該硬開關區(qū)域中運行功率 GaN FET 會導致應力增加。最容易理解的是熱應力。例如，使用感應開關測試電路，可以使器件從關閉時的大約零電流(漏極上的電壓為幾百伏)切換到開啟時的幾乎瞬間 10 A 的電流。

器件兩端的電壓乘以通過它的電流就是瞬時功耗，在本例中，在轉換過程中可能大于 500 瓦。對于 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。由于曲線中的熱時間常數，較短的脈沖導致較少的加熱。增強型封裝技術可用于將結殼的熱阻抗從約 15°C/W 降低至低至 1.2°C/W。由于器件發(fā)熱減少，這會擴大 SOA。

SOA 曲線

Texas Instruments 擁有一系列標準尺寸的功率 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。這使設計人員可以靈活地使用更高的電流，而無需增加終端設備的尺寸。GaN FET 的一大優(yōu)勢是與硅 FET 相比，開關時間非常短。此外，減少的電容和沒有 Qrr 會導致開關損耗大大降低。當器件切換時，電壓乘以電流的積分就是器件必須消耗的功率量。較低的損耗導致較低的器件溫度和擴展的 SOA。

SOA 曲線上標出的另一個重要區(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通時的電阻。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。