功率GaN落後於RF GaN的主要原因在於需要花時間執行數個供貨商所使用的成本縮減策略。最知名的就是改用6英寸的矽基板
，以及更低成本的塑料封裝。對於電源設計人員來說，理解GaN有可能帶來的性能提升
，以及某些會隨時間影響到最終產品性能的退化機製很重要。

 

聯合電子設備工程委員會 (JEDEC) 針對矽器件的認證標準經證明是產品使用壽命的很好預測指標
，不過目前還沒有針對GaNdetongdengbiaozhun。yaoshiyongquanxindejishulaijianqingfengxian
，bijiaojinshendezuofashikanyikantedingdeyongli，yijixinjishuzaiyingyongfangmiandehuanjingxianzhi
，bingqiejianlinenggouzhenduihuanjingbianhuajinxingyingliceshihejianshideyuanxingji。duiyudaliangyuanxingjideshishijianshihuitichuyixieyouyisidetiaozhan，tebieshizaiGaN器件電壓接近1000V，並且dv/dts大於200V/ns時更是如此。

 

一個經常用來確定功率FET是否能夠滿足目標應用要求的圖表是安全工作區域 (SOA) 曲線。圖1中顯示了一個示例。

 

圖1.GaN FET SOA曲線示例，此時Rds-On = 毫歐

 

 

功率GaN FET被用在硬開關和數MHz的諧振設計中。上麵展示的零電壓 (ZVS) 或者零電流 (ZCS) 拓撲為數千瓦。SOA曲線的應力最大的區域是右上角的電壓和電流最高的區域。在這個硬開關區域內運行一個功率GaN FEThuidaozhiyoushugejizhierzaochengdeyinglizengjia。zuirongyilijiedejiushireyingli。liru，zaishiyongyigediangankaiguanceshidianlushi
，youkenengshiqijiancongguanbishidedianliujihuweiling、汲取電壓為幾百伏
，切換到接通時的電流幾乎瞬時達到10A。

 

器件上的電壓乘以流經的電流可以獲得瞬時功率耗散，對於這個示例來說，在轉換中期可以達到500W以上。對於尺寸為5mm x 2mm的典型功率GaN器件，這個值可以達到每mm2 50W。所以用戶也就無需對SOA曲線顯示的這個區域隻支持短脈衝這一點而感到驚訝了。由於器件的熱限值和封裝的原因，SOA曲qu線xian的de右you上shang部bu被bei看kan成cheng是shi一yi個ge脈mai寬kuan的de函han數shu。由you於yu曲qu線xian中zhong所suo見jian的de熱re時shi間jian常chang數shu，更geng短duan的de脈mai衝chong會hui導dao致zhi更geng少shao的de散san熱re。增zeng強qiang型xing封feng裝zhuang技ji術shu可ke被bei用yong來lai將jiang結jie至zhi環huan境jing的de熱re阻zu從cong大da約yue15°C/W減小到1.2°C/W。由於減少了器件散熱，這一方法可以擴大SOA。

 

 

TI有一個係列的標準占板麵積的功率MOSFET
、DualCool™ 和NexFETs™。這些MOSFET通過它們封裝頂部和底部散熱，並且能夠提供比傳統占板麵積封裝高50%的電流。這使得設計人員能夠靈活地使用更高電流，而又無需增加終端設備尺寸。與矽FET相比，GaN FET的一個巨大優勢就是可以實現的極短開關時間。此外
，減少的電容值和可以忽略不計的Qrr使(shi)得(de)開(kai)關(guan)損(sun)耗(hao)低(di)很(hen)多(duo)。在(zai)器(qi)件(jian)開(kai)關(guan)時(shi)
，電(dian)壓(ya)乘(cheng)以(yi)電(dian)流(liu)所(suo)得(de)值(zhi)的(de)整(zheng)數(shu)部(bu)分(fen)是(shi)器(qi)件(jian)必(bi)須(xu)消(xiao)耗(hao)的(de)功(gong)率(lv)。更(geng)低(di)的(de)損(sun)耗(hao)意(yi)味(wei)著(zhe)更(geng)低(di)的(de)器(qi)件(jian)溫(wen)度(du)和(he)更(geng)大(da)的(de)SOA。

 

SOA曲線所圈出的另外一個重要區域受到Rds-On的限製。在這個區域內
，器件上的電壓就是流經器件的電流乘以導通電阻。在圖1所示的SOA曲線示例中，Rds-On為100毫歐。矽MOSFET的溫度取決於它們的Rds-On，這一點眾所周知。在器件溫度從25ºC升高至大約100ºC時，它們的Rds-On幾乎會加倍。

 

動態Rds-On

 

GaN FET具有一個複雜的Rds-On
，它是溫度，以及電壓和時間的函數。GaN FET的Rds-On對電壓和時間的函數依賴性被稱為動態Rds-On。為了預測一個GaN器件針對目標使用的運行方式，很有必要監視這些動態Rds-On所帶來的影響。與SOA曲線的溫度引入應力相類似，電感硬開關應力電路比較適合於監視Rds-On。這是因為很多潛在的器件退化是與高頻開關和電場相關的。

 

圖2是一個簡單開關電路，這個電路中給出了一種在SOA右上象限內實現循環電流，並對器件施加應力的方法。

 

圖2.電感硬開關測試電路

 

 

GaN是一種寬帶隙材料，與矽材料的1.12eV的帶隙相比，它的帶隙達到3.4eV。這zhe個ge寬kuan帶dai隙xi使shi得de器qi件jian在zai被bei擊ji穿chuan前qian
，能neng夠gou支zhi持chi比bi同tong樣yang大da小xiao的de矽gui器qi件jian高gao很hen多duo的de電dian場chang。某mou些xie器qi件jian設she計ji人ren員yuan常chang用yong來lai幫bang助zhu確que定ding器qi件jian可ke靠kao性xing的de測ce試shi有you高gao溫wen反fan向xiang偏pian置zhi (HTRB)、高溫柵極偏置 (HTGB) 和經時電介質擊穿 (TDDB)。zhexiedoushijingtaiceshi
，suiranzaiyanzhengqijianshejiyouxiaoxingfangmianshihaofangfa，danshizaigaopinkaiguandongtaixiaoyingzhanzhudaodiweishi，jiubunengdaibiaodianxingshiyongqingkuang。gaowengongzuoshouming (HTOL) 是器件開關過程中的動態測試。特定的工作條件由製造商確定，但是這些工作條件通常處於某些標稱頻率、電壓和電流下。

 

早期對於GaN針對RF放大器的使用研究發現了一個性能退化效應，此時器件能夠傳送的最大電流被減少為漏極電壓偏置的函數。這個隨電壓變化的（捕獲引入）效應被稱為“電流崩塌”。在緩衝器和頂層捕獲的負電荷導致電流崩塌或動態Rds-On增加。在施加高壓時，電荷可被捕獲，並且在器件接通時也許無法立即消散。已經采用了幾個器件設計技巧（電場板）來減少大多數靈敏GaN FET區域中的電場強度。電場板已經表現出能夠最大限度地減小RF GaN FET和開關功率GaN FET中的這種影響。

 

GaN是一種壓電材料。GaN器件設計人員通過添加一個晶格稍微不匹配的AIGaN緩衝層來利用這個壓電效應。這樣做增加了器件的應力，從而導致由自發和壓電效應引起的極化場。這個二維電子氣 (2DEG) 通道就是這個極化場的產物。具有2DEG通道的器件被稱為高電子遷移晶體管 (HEMT)。不幸的是
，在器件運行時，高外加電場也會導致有害的壓電應力，從而導致另外一種形式的可能的器件退化。對於諸如GaN的新技術來說

，擁有一個證明可靠性的綜合性方法很重要。如需了解與TI計劃相關的進一步細節

，請參考Sandeep Bahl的白皮書，一個限定GaN產品的綜合方法。

 

為了降低成本，功率GaN目前采用的是6英寸矽基板。由於矽和GaNjinggebupipei
，huichuxianxianchengtuowei。zhehuidaozhijinggequexian，bingzengjiabuhuodekenengxing。zhexiebuhuodeyingxiangqujueyutamendeshulianghezaiqijianzhongdeweizhi。buhuozhuangtai
，zhanjuhuofeizhanju，yeshishijiadedianchangheshijiandeyigehanshu。buhuochongfangdiankenengzaizuiduan100ns到最長數分鍾的時間範圍分布。最接近柵極區域的捕獲充電和放電會調製器件的轉導。所有這些效應是GaN FET的Rds-On的複雜電壓和時間相關性的基礎。在限定期間
，工程師通常在延長的期間內對器件施加DCyingli，bingqiedingqiyichuzheyiyingli，yimiaoshudangebandaoticeshideqingkuang。yichuqijiandianyapianzhi，jishizhiyoujimiaozhongdeshijian，yekeyishixianmouxiebuhuofangdian
，zheyangdehua


，jiubuhuiyingxiangdaoyushijiyunxingxiangguandedongtaiRds-On值了。

 

 

與矽FET相比
，功率GaN FET具ju有you很hen多duo優you勢shi，比bi如ru說shuo更geng低di的de開kai關guan損sun耗hao和he更geng高gao的de頻pin率lv切qie換huan能neng力li。更geng高gao的de開kai關guan頻pin率lv可ke被bei用yong來lai增zeng加jia係xi統tong的de電dian源yuan轉zhuan換huan密mi度du。要yao限xian定ding一yi個ge正zheng在zai使shi用yong功gong率lvGaN FET的係統，設計人員應該了解可能的退化源，並隨時監視它們在溫度變化時的影響。一個監視動態Rds-ON增加的簡單方法就是測量時間和電壓變化過程中的轉換過程的效率。為了更好地了解損耗出現的位置
，係統被設計成能夠實時監視漏極、柵極
、源極和器件電流波形。此係統能夠通過它們的SOA，以1MHz以上的頻率

，在電壓高達1000V和電流高達15A時，硬開關FET。

 

捕捉和分析實時波形可以幫助我們更好地理解高頻效應，比如說dv/dt
、柵極驅動器電感和電路板布局布線，這些在基於GaN的設計中都很關鍵。監視時間和溫度範圍內趨勢變化的實時信息能夠為我們提供更好的GaN FET退化信息
，並使我們對於更加智能器件和控製器產品的需求有深入的理解。