松下通過(guò)GaN倒裝芯片封裝技術(shù) 電路開關(guān)速度提高1.7倍
松下首次參加了2014年5月于德國(guó)舉行的功率電子領(lǐng)域全球最大規(guī)模的展會(huì)“PCIM Europe”。該公司的亮點(diǎn)展品是由采用GaN及SiC等新一代功率半導(dǎo)體元件構(gòu)成的電源電路和模塊產(chǎn)品。
松下積極展示的是采用600V耐壓GaN功率晶體管的功率因數(shù)校正（power factor correction，PFC）電路。其特點(diǎn)是，與以前的電路相比，不僅尺寸小，而且可以實(shí)現(xiàn)高速開關(guān)。該電路屬于PFC中省去普通整流電路的“無(wú)橋”（Bridgeless）型，由于不需要整流電路，因此可實(shí)現(xiàn)小型化。
松下的無(wú)橋PFC電路為“圖騰柱型”（Totem Pole），與無(wú)橋型電路中使用普通超結(jié)（super junction，SJ）構(gòu)造硅MOSFET的“雙升壓型”（Dual Boost）無(wú)橋PFC相比，部件數(shù)量大為減少（圖1）。
| 圖1 去掉SiC二極管和電感器 松下開發(fā)出了使用GaN功率晶體管的無(wú)橋型PFC。與使用硅MOSFET的無(wú)橋型PFC相比，具有不使用昂貴的SiC SBD、可減少一個(gè)電感器等優(yōu)點(diǎn)。（該圖由《日經(jīng)電子》根據(jù)松下的資料繪制） |
據(jù)松下介紹，雙升壓型電路需要價(jià)格昂貴的SiC肖特基勢(shì)壘二極管（SBD）和兩個(gè)大型電感器。而圖騰柱型電路不僅不需要SiC SBD，而且只需要一個(gè)電感器即可。
松下表示，即便與其他圖騰柱型電路相比，該公司的產(chǎn)品也具備較高的開關(guān)速度。具體而言，能以170V/ns的速度開關(guān)GaN功率晶體管。這一速度比使用面向高速開關(guān)用途的表面封裝型硅SJ型MOSFET時(shí)還要快約1.7倍。
電路的高速開關(guān)性能是通過(guò)對(duì)GaN功率元件采用倒裝芯片封裝，將寄生電感減小至2nH實(shí)現(xiàn)的。與功率元件采用普通封裝“TO-220”的電路相比，寄生電感只有1/10左右。
之所以能夠?qū)崿F(xiàn)倒裝芯片封裝，是因?yàn)镚aN功率晶體管可獨(dú)立實(shí)現(xiàn)常閉（Normally-off運(yùn)行狀態(tài)）。目前，耐壓600V的GaN功率晶體管大多為常開（Normally-on）運(yùn)行狀態(tài)。其他企業(yè)往往通過(guò)級(jí)聯(lián)（Cascode）低耐壓硅MOSFET來(lái)實(shí)現(xiàn)常閉運(yùn)行狀態(tài)。但級(jí)聯(lián)電路使用的是外置硅MOSFET，不僅很難降低寄生電感，而且還會(huì)導(dǎo)致芯片數(shù)量增加。
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