【導讀】對於使用過功率 MOSFET 的電源係統設計師來說，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。

對於使用過功率 MOSFET 的電源係統設計師來說，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mei個ge半ban導dao體ti的de功gong能neng都dou有you其qi限xian製zhi。這zhe些xie限xian製zhi通tong常chang在zai器qi件jian數shu據ju表biao中zhong突tu出chu顯xian示shi，並bing作zuo為wei設she計ji人ren員yuan如ru何he創chuang建jian不bu存cun在zai隱yin藏zang質zhi量liang或huo可ke靠kao性xing問wen題ti的de設she計ji的de指zhi南nan。增zeng強qiang型xing 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製的過衝。一般來說，

典型功率 MOSFET 的閾值電壓 (VGS(TH)) 範圍為 2 – 4 V。對於 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 係統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。與矽相比，eGaN 技術的另一個優勢是 RDS(ON) 隨溫度增加的幅度較小

，如圖 2 所示。而矽在 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

，對於 GaN 器件
，物理機製有所不同。在矽功率 MOSFET 中，FET 中集成了一個 pn 二極管
，並通過將少數載流子注入漏極區域來導電。該電荷在漏極區域 (QRR) 中存儲數十納秒 (tRR)，並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-漏極壓降高於同類功率 MOSFET（見圖 3）。為了限度地減少這種較高 Vsd 壓降的影響並獲得 eGaN FET 的性能，有必要將死區時間保持在短水平，足以避免交叉導通。

一大優勢——極低的電容和電荷

FET 的de電dian容rong是shi決jue定ding器qi件jian從cong導dao通tong狀zhuang態tai轉zhuan換huan到dao關guan斷duan狀zhuang態tai或huo從cong關guan斷duan狀zhuang態tai轉zhuan換huan到dao導dao通tong狀zhuang態tai期qi間jian能neng量liang損sun失shi的de因yin素su。如ru果guo對dui施shi加jia到dao同tong一yi端duan子zi的de一yi定ding電dian壓ya範fan圍wei內nei的de兩liang個ge端duan子zi之zhi間jian的de電dian容rong進jin行xing積ji分fen，您nin就jiu可ke以yi獲huo得de為wei電dian容rong器qi充chong電dian所suo需xu的de電dian荷he量liang“Q”。由於電流乘以時間等於電荷
，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 製造商使用 FOM 來展示各代改進並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於
，無論芯片尺寸如何，對於給定的技術或設備“一代”來說，該 FOM 幾乎是恒定的。該 FOM yuqijianxingnengxiangguan
，keyongyuyucegaijinjishudailaidegonglvsunhaogaishanqingkuang，dandangqijiangengduodiyongzuokaiguanyuanjianerfeidaodianyuanjianshi，taduichayibutaimingan。yinci，womenjiangtaolunliangzhongbutongde FOM。個是傳統的 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 繪製了 eGaN FET 以及各種等效矽 MOSFET 的 RDS(ON) 與 QGD 的關係。我們可以看到
，基於開關 FOM

，eGaN FET 比任何等效額定電壓矽器件具有明顯的優勢。以下是一些一般性觀察：

40 V eGaN FET 與 25 V 橫向矽器件相當。
100 V eGaN FET 與 40 V 垂直矽器件相當。
200 V eGaN FET 與 100 V 垂直矽器件相當

整流器 FOM 如圖 6 所示，並繪製了 eGaN FET 以及不同等效矽 MOSFET 的 RDS(ON) 與 QG 的關係圖。由此我們可以得出幾個結論：

40 V eGaN FET 可與的 25 V 橫向矽器件相媲美。
100 V eGaN FET 與 25 V 垂直矽器件相當
200 V eGaN FET 與 40 V 垂直矽器件相當

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於操作性。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。氮化镓具有自隔離性
，這意味著它可以保護自身免受環境影響，因為矽片頂部的活性 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麵積、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
，並表明它們與當前的矽功率 MOSFET 相比具有許多明顯的優勢。自三十多年前推出以來，矽功率 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化將在未來幾年顯示出類似的改進。

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