功率氮化鎵技術(shù)及電源應(yīng)用熱管理設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

來(lái)自社會(huì)的壓力越來(lái)越大，有關(guān)減少CO2排放的法規(guī)越來(lái)越多，這正推動(dòng)著從汽車到電信行業(yè)的投資，以提高電力轉(zhuǎn)換效率和電氣化程度。諸如絕緣柵雙極晶體管（IGBT）之類的傳統(tǒng)基于硅的功率半導(dǎo)體技術(shù)從根本上限制了工作頻率，速度，并且具有較差的高溫性能和低電流特性。高壓Si FET的頻率和高溫性能也受到限制。因此，設(shè)計(jì)人員越來(lái)越希望在高效的銅夾封裝中使用寬帶隙（WBG）半導(dǎo)體。

功率氮化鎵技術(shù)

過(guò)去幾年中，GaN技術(shù)，特別是硅上GaN（硅上GaN）高電子遷移率晶體管（HEMT）技術(shù)已成為電源工程師的主要重點(diǎn)。提供許多應(yīng)用所要求的高功率性能和高頻開關(guān)的承諾是顯而易見的。

在采用帶引線的TO-247封裝中采用共源共柵模式技術(shù)之后，市場(chǎng)上出現(xiàn)了許多趨勢(shì)，這些市場(chǎng)朝著RDS（開啟），更好的開關(guān)品質(zhì)因數(shù)（FOM）和更低的電容方面的改進(jìn)方向發(fā)展。

當(dāng)涉及到器件穩(wěn)定性和易操作性時(shí)，共源共柵配置可提供硅柵極的堅(jiān)固且可靠的絕緣（電介質(zhì)）柵極結(jié)構(gòu)。這意味著共源共柵GaN FET具有±20 V的有效柵極額定值（等于現(xiàn)有的硅超結(jié)技術(shù)），并且可以由標(biāo)準(zhǔn)的具有成本效益的柵極驅(qū)動(dòng)器以簡(jiǎn)單的0-10或12 V驅(qū)動(dòng)電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)，同時(shí)提供較高的柵極閾值4V的電壓可防止誤導(dǎo)通。

圖1：GaN FET的雙向特性

CCPAK：具有久經(jīng)考驗(yàn)的新型動(dòng)力套件

自然地，GaN技術(shù)和操作模式是關(guān)鍵，但與任何FET器件封裝一樣，它都起著至關(guān)重要的作用。隨著市場(chǎng)轉(zhuǎn)向更高的開關(guān)頻率，傳統(tǒng)封裝（TO-220 / TO-247和D2PAK-7）的局限性越來(lái)越明顯。為了真正利用新型高壓WBG半導(dǎo)體的優(yōu)勢(shì)，銅夾技術(shù)將優(yōu)化電性能和熱性能。

圖2：CCPAK1212的內(nèi)部布置

Nexperia提出了CCPAK封裝，以為Power GaN FET解決方案提供銅夾的優(yōu)勢(shì)。CCPAK1212相當(dāng)于TO-247機(jī)身尺寸的約五分之一（21.4％），或者比D2PAK-7緊湊的占地面積小10％，同時(shí)允許使用更低的Rdson產(chǎn)品，

通過(guò)消除內(nèi)部引線鍵合，CCPAK的電感比含鉛封裝的電感低。圖3中的表突出顯示了CCPAK1212和TO-247工作在100 MHz時(shí)的比較，這導(dǎo)致總環(huán)路電感為2.37 nH，而幾乎為14 nH。但是，銅夾式封裝還有助于提供超低封裝電阻，包括<0.5 K / W的熱阻。

圖3：自感@頻率100 MHz

熱性能和半橋優(yōu)勢(shì)

長(zhǎng)期以來(lái)，熱管理一直是電源應(yīng)用的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。當(dāng)設(shè)計(jì)中有用于容納大體積散熱器的空間時(shí)，將熱量從電路板和半導(dǎo)體組件中帶走相對(duì)容易。但是，隨著功率水平以及功率和電路密度的增加，這變得更加難以處理。

GaN和銅夾在熱容量和熱導(dǎo)率方面創(chuàng)造了650 V大功率FET的技術(shù)組合。

根據(jù)圖4中的仿真，工程師估計(jì)CCPAK的Rth僅為0.173°C / W，而TO-247的Rth為0.7°C / W。

圖4：熱仿真功率GaN FET（圖5）

無(wú)論是AC / DC PFC級(jí)，DC / DC轉(zhuǎn)換器還是牽引逆變器，大多數(shù)拓?fù)涞幕緲?gòu)建模塊都是半橋。因此，在簡(jiǎn)單的升壓轉(zhuǎn)換器中將GaN FET與Si FET進(jìn)行比較時(shí)，GaN技術(shù)表現(xiàn)出了卓越的性能。

Nexperia的頂部冷卻GAN039-650NTB是半橋演示板中使用的解決方案-100 kHz時(shí)400 VIN和230 VOUT，占空比為57.4％，在環(huán)境溫度23.1°C下工作。

圖5：半橋演示效率

在ID為20 A的低端VDS的400 VDC降壓模式設(shè)置中，在接通和關(guān)斷期間，尖峰，過(guò)沖和振鈴幾乎可以忽略不計(jì)。這在噪聲和任何與硅相關(guān)的Qrr問(wèn)題方面均具有優(yōu)勢(shì)，效率結(jié)果為99％

圖6：CCPAK1212開關(guān)波形

編輯：hfy