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GaN的de同tong等deng標biao準zhun。要yao使shi用yong全quan新xin的de技ji術shu來lai減jian輕qing風feng險xian，比bi較jiao謹jin慎shen的de做zuo法fa是shi看kan一yi看kan特te定ding的de用yong例li
，以yi及ji新xin技ji術shu在zai應ying用yong方fang麵mian的de環huan境jing限xian製zhi，並bing且qie建jian立li能neng夠gou針zhen對dui環huan境jing變bian化hua進jin行xing應ying力li測ce試shi和he監jian視shi的de原yuan型xing機ji。對dui於yu大da量liang原yuan型xing機ji的de實shi時shi監jian視shi會hui提ti出chu一yi些xie有you意yi思si的de挑tiao戰zhan
，特te別bie是shi在zaiGaN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 FET會hui導dao致zhi由you數shu個ge機ji製zhi而er造zao成cheng的de應ying力li增zeng加jia。最zui容rong易yi理li解jie的de就jiu是shi熱re應ying力li。例li如ru，在zai使shi用yong一yi個ge電dian感gan開kai關guan測ce試shi電dian路lu時shi，有you可ke能neng使shi器qi件jian從cong關guan閉bi時shi的de電dian流liu幾ji乎hu為wei零ling
、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

，SOAquxiandeyoushangbubeikanchengshiyigemaikuandehanshu。youyuquxianzhongsuojiandereshijianchangshu，gengduandemaichonghuidaozhigengshaodesanre。zengqiangxingfengzhuangjishukebeiyonglaijiangjiezhihuanjingderezucongdayue15°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deSOA。

 

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。zhegekuandaixishideqijianzaibeijichuanqian
，nenggouzhichibitongyangdaxiaodeguiqijiangaohenduodedianchang。mouxieqijianshejirenyuanchangyonglaibangzhuquedingqijiankekaoxingdeceshiyougaowenfanxiangpianzhi (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GaN晶(jing)格(ge)不(bu)匹(pi)配(pei)，會(hui)出(chu)現(xian)線(xian)程(cheng)脫(tuo)位(wei)。這(zhe)會(hui)導(dao)致(zhi)晶(jing)格(ge)缺(que)陷(xian)，並(bing)增(zeng)加(jia)捕(bu)獲(huo)的(de)可(ke)能(neng)性(xing)。這(zhe)些(xie)捕(bu)獲(huo)的(de)影(ying)響(xiang)取(qu)決(jue)於(yu)它(ta)們(men)的(de)數(shu)量(liang)和(he)在(zai)器(qi)件(jian)中(zhong)的(de)位(wei)置(zhi)。捕(bu)獲(huo)狀(zhuang)態(tai)
，占(zhan)據(ju)或(huo)非(fei)占(zhan)據(ju)，也(ye)是(shi)施(shi)加(jia)的(de)電(dian)場(chang)和(he)時(shi)間(jian)的(de)一(yi)個(ge)函(han)數(shu)。捕(bu)獲(huo)充(chong)放(fang)電(dian)可(ke)能(neng)在(zai)最(zui)短(duan)100ns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DC應ying力li

，並bing且qie定ding期qi移yi除chu這zhe一yi應ying力li，以yi描miao述shu單dan個ge半ban導dao體ti測ce試shi的de情qing況kuang。移yi除chu器qi件jian電dian壓ya偏pian置zhi，即ji使shi隻zhi有you幾ji秒miao鍾zhong的de時shi間jian
，也ye可ke以yi實shi現xian某mou些xie捕bu獲huo放fang電dian，這zhe樣yang的de話hua，就jiu不bu會hui影ying響xiang到dao與yu實shi際ji運yun行xing相xiang關guan的de動dong態taiRds-On值了。

 

 

與矽FET相比
，功率GaN FETjuyouhenduoyoushi，birushuogengdidekaiguansunhaohegenggaodepinlvqiehuannengli。genggaodekaiguanpinlvkebeiyonglaizengjiaxitongdedianyuanzhuanhuanmidu。yaoxiandingyigezhengzaishiyonggonglvGaN 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。