表征 GaN 功率器件

功率氮化镓 (GaN) 器件是功率设计人员工具箱中令人兴奋的补充。特别是在希望探索 GaN 更高的开关频率如何导致更高的效率和更高的功率密度的情况下尤其如此。RF GaN 是一项成熟的技术，可用于蜂窝基站和多个军事/航空航天系统的功率放大器的大批量生产，因为它具有优于硅的优势。

寿命预测因素

Power GaN 落后于 RF GaN，因为实施多个供应商使用的成本降低策略需要时间。最值得注意的是转向 6 英寸硅基板和成本更低的塑料封装。电源设计人员必须了解 GaN 的性能改进承诺，以及随着时间的推移会影响最终产品性能的一些退化机制。

联合电子器件工程委员会 (JEDEC) 的硅认证标准已被证明是产品寿命的良好预测指标，但目前没有针对 GaN 的等效标准。为了降低使用新技术的风险，审慎的做法是查看应用新技术的特定用例和环境限制，并建立可以强调和监测变化的原型。大量原型的实时监控带来了一些有趣的工程挑战，尤其是当 GaN 器件电压可以接近 1000 V 并且 dv/dts 大于 200 V/ns 时。

确定功率 FET 是否能够满足预期用例的一种常用图表是安全工作区 (SOA) 曲线。

硬开关设计

功率 GaN FET 用于硬开关和多兆赫谐振设计。零电压 (ZVS) 或零电流 (ZCS) 拓扑都在数千瓦以上进行演示。SOA 曲线最受力的区域是右上角的最高电压和最高电流区域。由于多种机制，在该硬开关区域中运行功率 GaN FET 会导致应力增加。最容易理解的是热应力。例如，使用感应开关测试电路，可以使器件从关闭时的大约零电流(漏极上的电压为几百伏)切换到开启时的几乎瞬间 10 A 的电流。

器件两端的电压乘以通过它的电流就是瞬时功耗，在本例中，在转换过程中可能大于 500 瓦。对于 5 mm x 2 mm 的典型功率 GaN 器件尺寸，这将是 50 W/mm2。SOA 曲线显示在该区域中只能支持短脉冲操作，这不足为奇。由于器件的热限制和封装，SOA 曲线的右上角被视为脉冲宽度的函数。由于曲线中的热时间常数，较短的脉冲导致较少的加热。增强型封装技术可用于将结壳的热阻抗从约 15°C/W 降低至低至 1.2°C/W。由于器件发热减少，这会扩大 SOA。

SOA 曲线

Texas Instruments 拥有一系列标准尺寸的功率 MOSFET、DualCool™ 和 NexFET™。这些 MOSFET 通过其封装的顶部和底部散热，可提供比传统封装封装多 50% 的电流。这使设计人员可以灵活地使用更高的电流，而无需增加终端设备的尺寸。GaN FET 的一大优势是与硅 FET 相比，开关时间非常短。此外，减少的电容和没有 Qrr 会导致开关损耗大大降低。当器件切换时，电压乘以电流的积分就是器件必须消耗的功率量。较低的损耗导致较低的器件温度和扩展的 SOA。

SOA 曲线上标出的另一个重要区域受到 Rds-On 的限制。这就是器件两端的电压只是通过它的电流乘以导通时的电阻。在所示的示例 SOA 曲线中，Rds-On 为 100 mΩ。硅 MOSFET 在其 Rds-On 中具有已知的温度依赖性。随着器件温度从 25ºC 上升到 ~100ºC，它们的 Rds-On 大约增加了一倍。