關(guān)于實(shí)時(shí)功率GaN波形監(jiān)視的設(shè)計(jì)方案

功率氮化鎵 (GaN) 器件是電源設(shè)計(jì)人員工具箱內(nèi)令人激動(dòng)的新成員。特別是對(duì)于想要深入研究GaN的較高開(kāi)關(guān)頻率如何能夠?qū)е赂哳l率和更高功率密度的開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)。RF GaN是一項(xiàng)已大批量生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)證技術(shù)，由于其相對(duì)于硅材料所具有的優(yōu)勢(shì)，這項(xiàng)技術(shù)用于蜂窩基站和數(shù)款軍用/航空航天系統(tǒng)中的功率放大器。本文將比較GaN FET與硅FET二者的退化機(jī)制，并討論波形監(jiān)視的必要性。

使用壽命預(yù)測(cè)指標(biāo)

功率GaN落后于RF GaN的主要原因在于需要花時(shí)間執(zhí)行數(shù)個(gè)供貨商所使用的成本縮減策略。最知名的就是改用6英寸的硅基板，以及更低成本的塑料封裝。對(duì)于電源設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，理解GaN有可能帶來(lái)的性能提升，以及某些會(huì)隨時(shí)間影響到最終產(chǎn)品性能的退化機(jī)制很重要。

聯(lián)合電子設(shè)備工程委員會(huì) (JEDEC) 針對(duì)硅器件的認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)證明是產(chǎn)品使用壽命的很好預(yù)測(cè)指標(biāo)，不過(guò)目前還沒(méi)有針對(duì)GaN的同等標(biāo)準(zhǔn)。要使用全新的技術(shù)來(lái)減輕風(fēng)險(xiǎn)，比較謹(jǐn)慎的做法是看一看特定的用例，以及新技術(shù)在應(yīng)用方面的環(huán)境限制，并且建立能夠針對(duì)環(huán)境變化進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試和監(jiān)視的原型機(jī)。對(duì)于大量原型機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)視會(huì)提出一些有意思的挑戰(zhàn)，特別是在GaN器件電壓接近1000V，并且dv/dts大于200V/ns時(shí)更是如此。

一個(gè)經(jīng)常用來(lái)確定功率FET是否能夠滿足目標(biāo)應(yīng)用要求的圖表是安全工作區(qū)域 (SOA) 曲線。圖1中顯示了一個(gè)示例。

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圖1.GaN FET SOA曲線示例，此時(shí)Rds-On = 毫歐

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硬開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)

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功率GaN FET被用在硬開(kāi)關(guān)和數(shù)MHz的諧振設(shè)計(jì)中。上面展示的零電壓 (ZVS) 或者零電流 (ZCS) 拓?fù)錇閿?shù)千瓦。SOA曲線的應(yīng)力最大的區(qū)域是右上角的電壓和電流最高的區(qū)域。在這個(gè)硬開(kāi)關(guān)區(qū)域內(nèi)運(yùn)行一個(gè)功率GaN FET會(huì)導(dǎo)致由數(shù)個(gè)機(jī)制而造成的應(yīng)力增加。最容易理解的就是熱應(yīng)力。例如，在使用一個(gè)電感開(kāi)關(guān)測(cè)試電路時(shí)，有可能使器件從關(guān)閉時(shí)的電流幾乎為零、汲取電壓為幾百伏，切換到接通時(shí)的電流幾乎瞬時(shí)達(dá)到10A。

器件上的電壓乘以流經(jīng)的電流可以獲得瞬時(shí)功率耗散，對(duì)于這個(gè)示例來(lái)說(shuō)，在轉(zhuǎn)換中期可以達(dá)到500W以上。對(duì)于尺寸為5mm x 2mm的典型功率GaN器件，這個(gè)值可以達(dá)到每mm2 50W。所以用戶也就無(wú)需對(duì)SOA曲線顯示的這個(gè)區(qū)域只支持短脈沖這一點(diǎn)而感到驚訝了。由于器件的熱限值和封裝的原因，SOA曲線的右上部被看成是一個(gè)脈寬的函數(shù)。由于曲線中所見(jiàn)的熱時(shí)間常數(shù)，更短的脈沖會(huì)導(dǎo)致更少的散熱。增強(qiáng)型封裝技術(shù)可被用來(lái)將結(jié)至環(huán)境的熱阻從大約15°C/W減小到1.2°C/W。由于減少了器件散熱，這一方法可以擴(kuò)大SOA。

SOA曲線

TI有一個(gè)系列的標(biāo)準(zhǔn)占板面積的功率MOSFET、DualCool? 和NexFETs?。這些MOSFET通過(guò)它們封裝頂部和底部散熱，并且能夠提供比傳統(tǒng)占板面積封裝高50%的電流。這使得設(shè)計(jì)人員能夠靈活地使用更高電流，而又無(wú)需增加終端設(shè)備尺寸。與硅FET相比，GaN FET的一個(gè)巨大優(yōu)勢(shì)就是可以實(shí)現(xiàn)的極短開(kāi)關(guān)時(shí)間。此外，減少的電容值和可以忽略不計(jì)的Qrr使得開(kāi)關(guān)損耗低很多。在器件開(kāi)關(guān)時(shí)，電壓乘以電流所得值的整數(shù)部分是器件必須消耗的功率。更低的損耗意味著更低的器件溫度和更大的SOA。

SOA曲線所圈出的另外一個(gè)重要區(qū)域受到Rds-On的限制。在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，器件上的電壓就是流經(jīng)器件的電流乘以導(dǎo)通電阻。在圖1所示的SOA曲線示例中，Rds-On為100毫歐。硅MOSFET的溫度取決于它們的Rds-On，這一點(diǎn)眾所周知。在器件溫度從25oC升高至大約100oC時(shí)，它們的Rds-On幾乎會(huì)加倍。

動(dòng)態(tài)Rds-On

GaN FET具有一個(gè)復(fù)雜的Rds-On，它是溫度，以及電壓和時(shí)間的函數(shù)。GaN FET的Rds-On對(duì)電壓和時(shí)間的函數(shù)依賴性被稱為動(dòng)態(tài)Rds-On。為了預(yù)測(cè)一個(gè)GaN器件針對(duì)目標(biāo)使用的運(yùn)行方式，很有必要監(jiān)視這些動(dòng)態(tài)Rds-On所帶來(lái)的影響。與SOA曲線的溫度引入應(yīng)力相類似，電感硬開(kāi)關(guān)應(yīng)力電路比較適合于監(jiān)視Rds-On。這是因?yàn)楹芏酀撛诘钠骷嘶桥c高頻開(kāi)關(guān)和電場(chǎng)相關(guān)的。

圖2是一個(gè)簡(jiǎn)單開(kāi)關(guān)電路，這個(gè)電路中給出了一種在SOA右上象限內(nèi)實(shí)現(xiàn)循環(huán)電流，并對(duì)器件施加應(yīng)力的方法。

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圖2.電感硬開(kāi)關(guān)測(cè)試電路

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寬帶隙

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