通过Alex Lidow和David Reusch, Efficient Power Conversion Corp。
氮化镓FET技术在过去的五年里显着改善。基于GaN FET的电源转换器以经济的价格达到低功率损失的承诺。
增强模式镓 - 氮化物（egan）FET可以比最佳可用硅晶体管快10倍的速度切换。这种速度优势是GaN晶体管可以提高电力转换效率的原因，并实现简单地超出了古老的硅功率MOSFET的新的令人兴奋的应用程序.No奇迹，那么，GaN功率半导体正在扩大的高效阵列中出现电源转换应用程序。该技术正在迅速发展，在该领域的产品经验正在扩大。
在低成本硅衬底上生长的GaN装置包括高电子迁移率晶体管（HEMT），显着优于老化硅MOSFET。GaN的物质益处包括更高的临界电场强度，其允许器件终端将更靠近的位置拉动，并且允许电子在这些缩短的端子连接之间的摩擦力不那么摩擦。芯片级封装的EGAN FET和IC的改进的电气和热性能质量使得新型的电路性能水平，提高了电力转换效率和经济学的杆。
eGaN场效应管的工作原理与硅功率mosfet非常相似，但它们有一些基本的区别，需要在电路设计时注意。它们之间最重要的区别是eGaN栅极电压被限制在最大6v。为了最大化eGaN FET的性能，最好在4 - 5v之间驱动器件。由于最大栅电压较低，建议采用能调节电压以确保安全运行和最小化栅驱动回路的寄生电感的栅驱动电路。在与德州仪器公司的合作中，他们开发了一系列驱动器，以带来简单和可靠性，以应对驱动eGaN场效应管的挑战。这个驱动家族允许设计人员很容易地采用eGaN fet在大多数应用中使用。
除了引入gan特定栅极驱动器之外，eGaN场效应管的可靠性自2009年引入以来也有了显著提高。看栅极可靠性，有几个机制可能导致故障的领域。测量可靠性的常用方法是在高栅电压下施加高温栅偏置(HTGB)应力。这些失效机制包括介质失效、栅极侧壁破裂和栅极应力导致的离态漏极泄漏增加。
为了确定HTGB故障的电压加速，技术人员在150°C时进行了6至7 V之间的测试矩阵。注意，该电压范围超出为eGAN FET的安全操作范围小于6 V。失败的时间是从每两分钟的每秒部分的周期性参数监测确定。故障标准是在数据纸张限制之外的断开状态漏极或栅极泄漏的上升。
空载和寄生
随着设计人员不断提高功率转换的频率，死区时间管理成为提高效率和良好调节的关键因素。对于具有更高正向“二极管”压降的eGaN场效应管来说，这尤其正确。与硅MOSFET相比，“体二极管”机制既好又差。在室温和125°C下，对流过“本体二极管”的漏源极电流作为源极-漏极电压的函数进行了检测，结果显示eGaN场效应晶体管的正向降明显高于Si MOSFET。在二极管导通周期较大的低压应用中，外部肖特基二极管已被证明可以显著改善氮化镓的性能。
eGaN FET“体二极管”机制的一个抵消优势，特别是在更高的频率，是没有恢复的电荷，Qrr。当电压从漏源极移开时，eGaN场效应晶体管立即关闭。在硅MOSFET中，所有的电荷从器件中扫出需要几纳秒，而反向恢复电荷是一个主要的高频损耗组件。
寄生电感使转换器更低效率并产生不需要的电压应力。随着GaN电源设备以更高的速度切换，寄生电感的减少必须保持速度或设计人员将不具有较低电压应力的转换开关速度，牺牲性能可靠运行。
传统上，功率器件中寄生的主要来源是器件封装。垂直功率MOSFET的传统封装技术包括将漏极连接到印刷电路板，通常使用一个大的垫。漏极衬垫具有用于将漏极衬垫连接到垂直MOSFET模具的漏极的附模材料。在MOSFET的对面是模贴材料的源和栅极连接。最后，源极和门极连接有夹子，允许连接到电路板。每一个封装步骤都会增加功率器件的电阻、电感、尺寸、热阻抗和成本。
高压横向eGaN FET晶体管的一个优点是，所有的电气连接都位于模具的同一侧，消除了复杂的，高寄生的双面封装mofet共同的需要。使用eGaN FET芯片级地栅阵列(LGA)封装，eGaN FET直接安装到PCB上，具有漏极、源极和栅极连接。这种简单的封装技术降低了功率器件的电阻、电感、尺寸、热阻抗和成本。
由于eGaN FET芯片尺度格式固有的封装寄生，印刷电路板(PCB)布局可能成为转换器性能的限制因素。为了减少PCB布局所增加的共源电感，栅极驱动回路和高频功率回路应设置在相互作用小的位置。
保持这些回路彼此远离使共同源电感对超低内部eGaN场效应晶体管封装电感最小化。为了减少PCB带来的高频功率环电感，我们开发了一种最优布局，使用第一内层作为高频功率环的返回路径。位于两个eGaN场效应管之间的是一系列过孔，用于连接顶层和内层回路，其布置与同步整流器(SR)的地栅阵列指相匹配。这个回路直接位于顶层功率回路的下方，使物理回路的大小最小化，并提供磁场自我抵消。
优化布局的侧视图说明了在多层PCB结构中创建低轮廓磁场自抵消回路的概念。在底部晶体管(SR)的下侧使用额外的源孔，以进一步降低低频电阻和热电阻。
并联egan FET.
并联装置的概念很简单;设计人员可以使用多个较小的设备，它们作为一个单独的、较大的设备出现和运行。与并联的器件数量成比例，导通电阻下降，电容上升。在实践中，当并联器件之间的寄生不平衡上升时，它们的并联能力就会恶化，限制了电流处理能力。研究人员已经表明，对于并行运行的超快eGaN场效应晶体管，寄生必须同时最小化和平衡，以确保良好的动态均流。
为了评估传统的并行布局并提出一种改进的并行布局，我们提出了两种设计方案。在第一种设计中，四个氮化镓晶体管靠得很近，就像一个“单”功率器件，只有一个高频功率回路。这种布局的缺点是更大的寄生电感和更大的寄生不平衡之间的并联器件，导致共流和热问题。
第二种设计采用了四个分布式电源回路，对称地位于单个栅极驱动器周围。该设计将为每个器件提供最低的总体寄生，最重要的是，提供寄生元件的最佳平衡，确保适当的并行运行。
在传统的平行设计中，热不平衡是显而易见的，其中由于寄生电感不平衡，在处理大部分功率的器件上发出热点。最靠近输入电容器T1的顶部开关的最高温度高于远离输入电容器T4的顶部开关超过10°C的最高温度。
对于所提出的分布式功率回路设计，具有良好的热平衡，器件之间的温差可以忽略不计。通过将高损耗的顶部器件分布在PCB上，而不是将它们聚集在一起，也可以很好地分配热量。
对于在短时间内用GaN晶体管看到的进展的示例，考虑在12 VIN POL转换器中的eGaN FET的应用。五年前，GaN晶体管的表现遭受了对与这项新技术涉及的细微差别的理解不足。新的技术突破，如单片集成，让GaN晶体管再次提高杆以进行高频电源转换性能。
参考文献
高效电力转换公司。
epc-co.com
德州仪器
“GaN Solutions的概要”
www.ti.com/gan
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