氮化鎵(GaN)功率場效應晶體管(FET)正日益進入主流市場，因為它們提供了卓越的效率和緊湊的解決方案尺寸，從而在低功率和高功率轉換應用中實現了卓越的功率密度。下一個挑戰是通過進一步降低導通和開關損耗，同時提高器件可靠性，將GaN FET的性能推向更高的水平。

　　E-Mode和Cascode GaN開關性能

　　增強模式 (e-mode) 和共源共柵變體的高電子遷移率晶體管 (HEMT) 是當今主要的 GaN FET 器件類型。E 模式 FET 是使用單個芯片構建的常關器件(V th <2 V，V GS =+7 V，-10 V)。它們更適合低功耗應用(較高電流水平下的低電壓或低功率水平下的高電壓)。然而，它們需要相對復雜的驅動電路，因為它們有時需要負電壓才能完全關閉。

　　相比之下，共源共柵 FET 是常斷型兩芯片解決方案，非常適合高功率應用。它們具有更穩健的柵極特性(V th = 4 V，V GS = ±20 V)，因此更易于驅動，因為它們不需要負電壓。從材料上講，GaN 的特性使其在功率開關應用中具有多種優勢。它具有更寬的帶隙、更高的臨界場和更高的電子遷移率。不過，與 Si 不同的是，GaN 沒有可耗盡的結，使其能夠以最高頻率進行開關。它還提供最低的理論導通電阻 (R DS(on) )，以減少傳導損耗。

　　電源應用拓撲和格局

　　DC-DC 轉換器中的相移全橋 (PSFB) 和 LLC 拓撲可從 400 V 降壓至 48 V(適用于廣泛的電信應用)，受益于輸入級高效 650 V 共源共柵器件的組合以及輸出級的 100/150 V e 模式器件。GaN FET 還可以為汽車中的高級駕駛輔助系統提供高效音頻放大器和 LiDAR。GaN 器件適用于太陽能光伏 和儲能系統中的功率因數校正電路和逆變器。

　　上圖顯示了 GaN FET 相對于 SIC 和硅基器件的應用前景。雖然 Si 仍然是高達 6.5 kV 應用的主流技術，但 SiC 的目標是 650 V 至 3.3 kV 的中功率和高功率應用。GaN 的目標應用是在最高開關頻率下工作電壓范圍為 80V 至 650V。

　　銅夾封裝如何提高 GaN FET 性能

　　與引線接合封裝相比，銅夾封裝具有多種優勢，特別是在較高功率應用中。

　　高電流性能

　　銅夾封裝具有更好的載流能力，因為其更大的夾表面積直接連接到芯片，而不是通過窄規格鍵合線。銅夾可以更好地在夾子上傳播電流，而不是細電線，因為細電線可能會因電流擁擠而導致熱點。銅夾封裝還可以降低器件 R DS(on)，因為 R pkg 的貢獻 低于鍵合線電阻，而鍵合線電阻通常必須在總體圖中考慮在內。當目標器件總 R DS(on) ≤ 25 mΩ 時，此功能變得尤為重要。最后，電線充當寄生電感器，會對器件開關產生負面影響。銅夾封裝本質上具有較低的寄生電感 (Lpkg)，實現更高的設備切換速度。

　　增強結構可靠性

　　在板級，帶有外露引線的銅夾封裝比全封閉表面貼裝封裝更可靠(圖 2)，因為全封裝引腳僅允許在響應溫度變化和振動引起的機械應力時進行有限的移動。隨著時間的推移，這些可能會導致模塑料破裂或導致焊點故障。因此，帶有外部引線的銅夾封裝提供了更大的靈活性來吸收這些應力，減輕它們對焊點和模制復合材料的影響。

　　設計拓撲支持提高功率水平

　　需要能夠將多個 GaN FET 作為半橋拓撲的一部分并聯，以滿足不斷增長的高功率應用所需的功率水平。然而，主要的設計挑戰之一是確保多個并聯器件之間均勻分布的電流共享，同時保持開關穩定性。對于并聯 GaN FET 來說，平等地共享電流至關重要，以防止任何單個器件消耗過多的功率，從而損害其可靠性和使用壽命。同樣重要的是，保持穩定的開關，避免過度振蕩，否則可能會導致高于可接受的開關損耗。

　　通過使用仔細的布局、短路和阻抗平衡柵極驅動器、正確放置的直流總線緩沖器和去耦，可以利用 Nexperia 的 650 V TO-247 led 并聯共源共柵 GaN FET 實現出色的電流共享，驅動 4- 上的感性負載。層FR4 PCB。Nexperia 目前正在評估如何通過并聯最多 5 個 CCPAK GaN FET 來實現更高的性能，以實現 200 A 以上的電流開關(適用于功率超過 10 kW 的應用)。 迄今為止的結果符合(或超出)預期。

　　GaN FET 技術和封裝要點

　　Nexperia已經推出了低功率100V和150V E-Mode以及650V E-Mode和Cascode GaN FET，采用各種封裝，包括TO、DFN和晶圓級選項。這些器件為工業、可再生能源和電信應用提供了領先的開關性能和效率水平。Nexperia將超過兩十年的銅夾封裝技術專業知識轉移到其GaN器件組合中，推出了650V Cascode FET，采用魚鉤形CCPAK1212封裝。這種技術和封裝的獨特結合有可能迅速成為高功率GaN FET的行業性能基準。

浮思特科技深耕功率器件領域，為客戶提供單片機(MCU)、觸控芯片等功率器件，是一家擁有核心技術的電子元器件供應商和解決方案商。