氮化镓(GaN)功率场效应晶体管(FET)正日益进入主流市场

，因为它们提供了卓越的效率和紧凑的解决方案尺寸
，从而在低功率和高功率转换应用中实现了卓越的功率密度。下一个挑战是通过进一步降低导通和开关损耗
，同时提高器件可靠性
，将GaN FET的性能推向更高的水平。

　　E-Mode和Cascode GaN开关性能

　　增强模式 (e-mode) 和共源共栅变体的高电子迁移率晶体管 (HEMT) 是当今主要的 GaN FET 器件类型。E 模式 FET 是使用单个芯片构建的常关器件(V th <2 V
，V GS =+7 V，-10 V)。它们更适合低功耗应用(较高电流水平下的低电压或低功率水平下的高电压)
。然而

，它们需要相对复杂的驱动电路
，因为它们有时需要负电压才能完全关闭。

　　相比之下，共源共栅 FET 是常断型两芯片解决方案，非常适合高功率应用
。它们具有更稳健的栅极特性(V th = 4 V，V GS = ±20 V)
，因此更易于驱动，因为它们不需要负电压
。从材料上讲，GaN 的特性使其在功率开关应用中具有多种优势
。它具有更宽的带隙
、更高的临界场和更高的电子迁移率。不过，与 Si 不同的是，GaN 没有可耗尽的结，使其能够以最高频率进行开关

。它还提供最低的理论导通电阻 (R DS(on) )

，以减少传导损耗。

　　电源应用拓扑和格局

　　DC-DC 转换器中的相移全桥 (PSFB) 和 LLC 拓扑可从 400 V 降压至 48 V(适用于广泛的电信应用)
，受益于输入级高效 650 V 共源共栅器件的组合以及输出级的 100/150 V e 模式器件。GaN FET 还可以为汽车中的高级驾驶辅助系统提供高效音频放大器和 LiDAR
。GaN 器件适用于太阳能光伏 和储能系统中的功率因数校正电路和逆变器。

　　上图显示了 GaN FET 相对于 SIC 和硅基器件的应用前景

。虽然 Si 仍然是高达 6.5 kV 应用的主流技术，但 SiC 的目标是 650 V 至 3.3 kV 的中功率和高功率应用
。GaN 的目标应用是在最高开关频率下工作电压范围为 80V 至 650V。

　　铜夹封装如何提高 GaN FET 性能

　　与引线接合封装相比
，铜夹封装具有多种优势
，特别是在较高功率应用中
。

　　高电流性能

　　铜夹封装具有更好的载流能力，因为其更大的夹表面积直接连接到芯片，而不是通过窄规格键合线。铜夹可以更好地在夹子上传播电流，而不是细电线，因为细电线可能会因电流拥挤而导致热点。铜夹封装还可以降低器件 R DS(on)，因为 R pkg 的贡献 低于键合线电阻
，而键合线电阻通常必须在总体图中考虑在内
。当目标器件总 R DS(on) ≤ 25 mΩ 时

，此功能变得尤为重要。最后，电线充当寄生电感器，会对器件开关产生负面影响
。铜夹封装本质上具有较低的寄生电感 (Lpkg)，实现更高的设备切换速度。

　　增强结构可靠性

　　在板级，带有外露引线的铜夹封装比全封闭表面贴装封装更可靠(图 2)
，因为全封装引脚仅允许在响应温度变化和振动引起的机械应力时进行有限的移动
。随着时间的推移，这些可能会导致模塑料破裂或导致焊点故障。因此，带有外部引线的铜夹封装提供了更大的灵活性来吸收这些应力，减轻它们对焊点和模制复合材料的影响。

　　设计拓扑支持提高功率水平

　　需要能够将多个 GaN FET 作为半桥拓扑的一部分并联，以满足不断增长的高功率应用所需的功率水平。然而
，主要的设计挑战之一是确保多个并联器件之间均匀分布的电流共享
，同时保持开关稳定性。对于并联 GaN FET 来说，平等地共享电流至关重要
，以防止任何单个器件消耗过多的功率
，从而损害其可靠性和使用寿命
。同样重要的是，保持稳定的开关，避免过度振荡，否则可能会导致高于可接受的开关损耗。

　　通过使用仔细的布局
、短路和阻抗平衡栅极驱动器、正确放置的直流总线缓冲器和去耦
，可以利用 Nexperia 的 650 V TO-247 led 并联共源共栅 GaN FET 实现出色的电流共享
，驱动 4- 上的感性负载。层FR4 PCB。Nexperia 目前正在评估如何通过并联最多 5 个 CCPAK GaN FET 来实现更高的性能
，以实现 200 A 以上的电流开关(适用于功率超过 10 kW 的应用)。 迄今为止的结果符合(或超出)预期
。

　　GaN FET 技术和封装要点

　　Nexperia已经推出了低功率100V和150V E-Mode以及650V E-Mode和Cascode GaN FET

，采用各种封装
，包括TO
、DFN和晶圆级选项
。这些器件为工业、可再生能源和电信应用提供了领先的开关性能和效率水平

。Nexperia将超过两十年的铜夹封装技术专业知识转移到其GaN器件组合中，推出了650V Cascode FET
，采用鱼钩形CCPAK1212封装
。这种技术和封装的独特结合有可能迅速成为高功率GaN FET的行业性能基准。

利发国际科技深耕功率器件领域，为客户提供单片机(MCU)、触控芯片等功率器件
，是一家拥有核心技术的电子元器件供应商和解决方案商。