【導讀】對于使用過功率 MOSFET 的電源系統(tǒng)設計師來說，升級到增強型 GaN 晶體管非常簡單。基本操作特性非常相似，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。
對于使用過功率 MOSFET 的電源系統(tǒng)設計師來說，升級到增強型 GaN 晶體管非常簡單。基本操作特性非常相似，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)建不存在隱藏質量或可靠性問題的設計的指南。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出現導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 eGaN FET 系統(tǒng)的抗噪能力不會像具有更高啟動 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 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 技術的另一個優(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。假設在 25°C 時初始 RDS(ON) 相同，這意味著在典型 100°C 結溫下 RDS(ON) 大約降低 15%。
有一個反向二極管
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 pn 二極管，并通過將少數載流子注入漏極區(qū)域來導電。該電荷在漏極區(qū)域 (QRR) 中存儲數十納秒 (tRR)，并在二極管關閉時以熱量形式消散。當您想要快速切換時，這是一個顯著的缺點。在增強型GaN晶體管中，當柵極和漏極之間存在正電壓時，FET電子溝道導通，因此會發(fā)生反向導通。當電壓移除且沒有任何存儲電荷消散時，通道立即關閉（tRR=0，QRR=0）。然而，存在一個可抵消的缺點，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)轉換到關斷狀態(tài)或從關斷狀態(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端子之間的電容進行積分，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 中各個端子之間的電壓的時間。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。這意味著更高的開關速度和更低的開關功率損耗。
品質因數 (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因數。
MOSFET 制造商使用 FOM 來展示各代改進并將其產品與其他競爭器件進行比較，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，對于給定的技術或設備“一代”來說，該 FOM 幾乎是恒定的。該 FOM 與器件性能相關，可用于預測改進技術帶來的功率損耗改善情況，但當器件更多地用作開關元件而非導電元件時，它對差異不太敏感。因此，我們將討論兩種不同的 FOM。個是傳統(tǒng)的 FOM。我們將其稱為“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，它適用。我們將第二個 FOM 稱為“開關 FOM”，因為它地描述了主要用作開關元件的器件的相對性能，例如經典降壓轉換器中的上部晶體管。在這兩種 FOM 中，開關性能在“硬開關”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 的關系。我們可以看到，基于開關 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。
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 的關系圖。由此我們可以得出幾個結論：
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上。
概括
在本專欄中，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，硅功率 MOSFET 已經取得了長足的進步，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優(yōu)化將在未來幾年顯示出類似的改進。
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