氮化镓的发展趋势及应用

作者: Alex Lidow 宜普电源转换公司 上网日期: 2015年05月20日 

关键字：功率器件  MOSFET  FET 

与硅器件相比，由于氮化镓的晶体具备更强的化学键，因此它可以承受比硅器件高出很多倍的电场而不会崩溃。这意味我们可以把晶体管的各个电端子之间的距离缩短十倍。这样可以实现更低的电阻损耗，以及电子具备更短的转换时间。总的来说，氮化镓器件具备更快速的开关、更低的功率损耗及更低的成本优势。

性能优越

优越的功率器件必需具备以下6个特性：1）器件需要具备更低的传导损耗、更低的阻抗；2）开关必需更快速并在硬开关应用中如降压转换器具备更低的损耗；3）更低的电容、更少充电及放电损耗；4）驱动器使用更少功率；5）器件更细小(缩小占板面积）及6）因为需要更高输出电流和功率密度而需要更低的热阻。

我们为工程师带来可支持意想不到的全新领域的功率器件。在电阻方面，之前我们在DC/DC转换器并联氮化镓场效应晶体管(eGaN FET)从而实现更高的输出电流。可是，这会增加元件的数量、成本及复杂性并降低功率密度。与第二代氮化镓器件相比，eGaN FET可以大大降低阻抗，从而使得基于eGaN FET 的DC/DC转换器具备更大电流及高功率密度。如图1所示，采用30 V 的eGaN FET的转换器的阻抗只是1 mΩ，即降低了阻抗达2.6倍。如果采用100 V的eGaN FET，与第二代100 V的器件相比，阻抗只有2.4 mΩ，即降低了阻抗达2.3倍。

图1：第二代及氮化镓器件的阻抗的比较。

Drain to source：漏源电压

此外，与等效的先进硅功率MOSFET相比，eGaN FET减少硬开关FOM达5倍(200 V器件)、 8倍( 100 V器件)及 4.8倍(40 V器件)，见图2。

图2：第二代及氮化镓器件的硬开关FOM并与硅功率MOSFET的比较。

至于封装方面，eGaN FET如果使用MOSFET的传统封装不会比MOSFET更好。如果使用芯片规模封装，结果却截然不同。图3是在PCB板上的一个典型晶体管的截面图。热量主要从两个途径散出：从焊锡接面散进PCB板(如RθJB展示)或从晶体的背部散出(RθJC)，之后，外壳至环境的热阻(RθCA)及电路板至环境的热阻(RθBA)将影响散热效率。虽然eGaN FET比先进的硅MOSFET的体积更小，使得热阻相对于可散热的面积来说应该增加了。然而，eGaN FET的封装具备超低的结点至电路板热阻(RθJB)并与MOSFET的封装的热阻相等。

图3：氮化镓器件的散热效率。

Silicon Substrate：硅衬底

Active GaN Device Region：活跃氮化镓器件区域

最重要的是，eGaN FET可以双面散热从而可以进一步提高其散热效率。至于从结点至外壳(RθJC)的热阻，除了30 V的MOSFET具有与eGaN FET可比的热阻外，在更高压时，eGaN FET具备无可匹敌的散热性能