氮化鎵晶體管到底有什么了不起？

新的氮化鎵（ GaN）晶體管的數(shù)據(jù)表規(guī)格不能告訴你所有你需要了解的這些特殊器件。本文不會讓你像在水面上行走——不過，你會知道哪里有一些墊腳石。本文還將帶來一些善良的焦慮——因?yàn)樗彩墙o氮化鎵供應(yīng)商的一封公開信。

今年，我們將看到許多公司推出真正的，但不理想的高壓氮化鎵晶體管。這些新器件將被提供給市場的級聯(lián)（cascode）結(jié)構(gòu)。它們將只選擇那些要求簽署一份非公開協(xié)議的客戶進(jìn)行交付。其中將包括限制任何逆向工程活動的額外條款，甚至有可能包括樣品返還政策，本文將會解釋個中的原因。

氮化鎵晶體管顯然對高速、高性能MOSFET器件構(gòu)成了非常嚴(yán)重的威脅。氮化鎵上硅（GaN on Si）晶體管預(yù)計的低成本，甚至還有可能使IGBT器件取代它們在較低速度、650V，非常高電流電源應(yīng)用中的統(tǒng)治地位。圖1中所示為市場機(jī)會。

有競爭力的商業(yè)需求、感知和實(shí)際利益推動了風(fēng)險資本權(quán)益、并購行家、戰(zhàn)略投資者活動、聯(lián)盟和對我們參加的鋪天蓋地的，甚至強(qiáng)制性的貿(mào)易展的的興趣。這就解釋了你將在你的通常的良性非披露協(xié)議中插入看到的額外“法律”工作。另一個問題當(dāng)然是器件的不成熟。在你的應(yīng)用與你所不熟悉的這些晶體管的非凡速度的結(jié)合方面也有不確定性，以便你將不會讓擔(dān)化鎵晶體管過應(yīng)力。沒有氮化鎵積極參與者會希望你傳播你的戲劇性的失敗故事。

電壓過沖和過載的問題是令人關(guān)注的問題，需要氮化鎵供應(yīng)商加以解決。下面是針對創(chuàng)建氮化鎵晶體管和二極管臺適標(biāo)準(zhǔn)的一種試探性的方法。

額定電壓？

已經(jīng)出現(xiàn)的一系列的實(shí)際工作電壓“標(biāo)準(zhǔn)”如表1中所示。然而，由于氮化鎵器件沒有雪崩規(guī)范，你會期望它們將必須至少能承受也許是高于額定工作電壓20-25%的應(yīng)力電壓范圍。你推測的安全系數(shù)意味著，一個650V額定器件將有望在達(dá)到800V的反復(fù)電壓偏移條件下安然無恙。

不幸的是，列于表1中的簡單的安全邊際概念是有缺陷的。必要的是，你要認(rèn)識到，我們的氮化鎵晶體管類似于“陶瓷電容”。這意味著，在擊穿條件下它們可被摧毀。Michael Bnere在2012 APEC上回答了個問題，陳述了相關(guān)的問題。

Cree的Mrinal Dasl描述了高電壓碳化硅（SiC）器件的降額演變。隨著器件技術(shù)的成熟，所需的降額量自然減少了。Das描述的Cree1200V碳化硅MOSFET的額定值寫于2011年。當(dāng)時的器件有1700V中間雪崩擊穿電壓。制造和現(xiàn)場數(shù)據(jù)的積累通常會允許選擇一個更小的安全邊際?；蛟S在這個時候，2013年，額定電壓為1200V的碳化硅器件具有1500V的中間雪崩擊穿電壓。因此，表1所示的上述氮化鎵器件也許意味著某些不當(dāng)?shù)陌谅覀冇蟹N不成熟和非常與眾不同的技術(shù)——我們不能如圖所示那樣評價我們的1200V器件。例如，我們不能確定，我們在所示的1200V條件下有300V的邊際。

當(dāng)然，由于氮化鎵器件沒有可重復(fù)行使的擊穿電壓能力，理性看圖1中所示的圖表有錯誤的前提。

真正的額定電壓——阻斷電壓

想一想阻斷電壓。氮化鎵的答案是針對每個器件的大小制定漏電流限制。國際整流器（International Rectifier） 所示的典型漏電流600V級聯(lián)。這實(shí)現(xiàn)了每毫米柵極寬度50nA以下的漏電流。該器件必須在額定電壓及以上阻斷。在每毫米高達(dá)400nA時，150度條件下的漏電流被認(rèn)為是可接受的。這些低泄漏數(shù)字表明，lR級聯(lián)使用的常開型（normally-on）氮化鎵器件使用了MIS柵極結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的肖特基門控器件將顯示出更高的泄漏。然而，同樣的原則也適用—想一想lR建議的阻斷電壓和使用可重復(fù)的、可測量的漏電流標(biāo)準(zhǔn)。在表1所示的“最小擊穿電壓”空間，利用Transphorm使用的短語“瞬態(tài)漏極至源極電壓”，也進(jìn)一步定義了電壓偏移的瞬態(tài)時間加上電壓偏移。

封裝和性能

簡單的級聯(lián)電路無法提供轉(zhuǎn)換速率（slew rate）控制，從而使PC板布局變得至關(guān)重要。此外，柵極驅(qū)動器的特性是部分地由封裝內(nèi)部串聯(lián)的源極電感所控制的。這可能像有引線封裝的4-6nH那么高。盡管Transphorm顯然以適應(yīng)的TO-220封裝取得了成功，使其可用于所有氮化鎵供應(yīng)商的氮化鎵應(yīng)用（包括Transphorm）傾向于采用的5mmX6mm或8mmX8mm PQFN封裝。8mmX8mm PQFN的大占位面積允許采用定制IC驅(qū)動器，從而提供了增加轉(zhuǎn)換速率控制等功能的可能性。12mm×12mm大的PQFN封裝允許采用完整的半橋和驅(qū)動電路?；炫_集成的水平可以更進(jìn)一步，并可以設(shè)想集成一個完整的圖騰柱PFC。通過使用氮化鎵器件使這個電路成為可行，因?yàn)樗鼈兙哂蟹浅５偷?a target="_blank">Orr。例如SJ MOSFET IPL60R199CP的Orr是5500nC，而Transphorm和氮化鎵系統(tǒng)氮化鎵級聯(lián)的Qrr低了10到20倍 ——對于有較低導(dǎo)通電阻的器件為16.2至54nC。氮化鎵供應(yīng)商需要確定并展示氮化鎵級聯(lián)在選定的應(yīng)用中的壓倒性優(yōu)勢。Transphorm “PFCT”倡議是在這個方向引人注目的第一步。

在氮化鎵的開發(fā)階段已經(jīng)令人滿意地發(fā)現(xiàn)了氮化鎵在特定導(dǎo)通電阻和優(yōu)值方面的優(yōu)勢。然而相反，我們的宣傳賦予了SJ MOSFET概念新的生命。正如圖2所示，英飛凌預(yù)計2013/2014年推出具有3.4優(yōu)值的600V SJMOSFET。我們預(yù)期，十有八九的優(yōu)勢需要通過改進(jìn)級聯(lián)來重新建立。這些可能來自于強(qiáng)大的、低電壓常關(guān)型氮化鎵晶體管的出現(xiàn)，以取代我們現(xiàn)在使用的分立式MOSFET.

結(jié)論

氮化鎵器件將以許多不同的方式重新教育工程師。簡單級聯(lián)結(jié)構(gòu)的極大的開關(guān)速度失控會產(chǎn)生以前沒有經(jīng)歷過的EMI和電壓過沖問題。氮化鎵級聯(lián)結(jié)構(gòu)從本質(zhì)上講是一個功率微波集成電路。當(dāng)?shù)碗妷篗OSFET用個常規(guī)MOSFET驅(qū)動器驅(qū)動時，級聯(lián)將提供50和100V/nS的開關(guān)速度，同時開關(guān)20至50A。因此，封裝問題需要加以解決。應(yīng)該開發(fā)一個標(biāo)準(zhǔn)化的封裝，允許源檢測連接并進(jìn)一步允許實(shí)現(xiàn)最小的回路電感。Michael Briere已經(jīng)要求氮化鎵供應(yīng)商開發(fā)針對氮化鎵器件資格的標(biāo)準(zhǔn)。這個想法需要被擴(kuò)大到包括第二個來源安排、常用測試方法，同時也要實(shí)現(xiàn)利于生產(chǎn)的封裝標(biāo)準(zhǔn)。

審核編輯 ：李倩