【導(dǎo)讀】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。
圖1.GaN FET SOA曲線示例，此時(shí)Rds-On = 毫歐
硬開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)
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(lèi)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。
圖2.電感硬開(kāi)關(guān)測(cè)試電路
寬帶隙
GaN是一種寬帶隙材料，與硅材料的1.12eV的帶隙相比，它的帶隙達(dá)到3.4eV。這個(gè)寬帶隙使得器件在被擊穿前，能夠支持比同樣大小的硅器件高很多的電場(chǎng)。某些器件設(shè)計(jì)人員常用來(lái)幫助確定器件可靠性的測(cè)試有高溫反向偏置 (HTRB)、高溫柵極偏置 (HTGB) 和經(jīng)時(shí)電介質(zhì)擊穿 (TDDB)。這些都是靜態(tài)測(cè)試，雖然在驗(yàn)證器件設(shè)計(jì)有效性方面是好方法，但是在高頻開(kāi)關(guān)動(dòng)態(tài)效應(yīng)占主導(dǎo)地位時(shí)，就不能代表典型使用情況。高溫工作壽命 (HTOL) 是器件開(kāi)關(guān)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)測(cè)試。特定的工作條件由制造商確定，但是這些工作條件通常處于某些標(biāo)稱頻率、電壓和電流下。
早期對(duì)于GaN針對(duì)RF放大器的使用研究發(fā)現(xiàn)了一個(gè)性能退化效應(yīng)，此時(shí)器件能夠傳送的最大電流被減少為漏極電壓偏置的函數(shù)。這個(gè)隨電壓變化的（捕獲引入）效應(yīng)被稱為“電流崩塌”。在緩沖器和頂層捕獲的負(fù)電荷導(dǎo)致電流崩塌或動(dòng)態(tài)Rds-On增加。在施加高壓時(shí)，電荷可被捕獲，并且在器件接通時(shí)也許無(wú)法立即消散。已經(jīng)采用了幾個(gè)器件設(shè)計(jì)技巧（電場(chǎng)板）來(lái)減少大多數(shù)靈敏GaN FET區(qū)域中的電場(chǎng)強(qiáng)度。電場(chǎng)板已經(jīng)表現(xiàn)出能夠最大限度地減小RF GaN FET和開(kāi)關(guān)功率GaN FET中的這種影響。
GaN是一種壓電材料。GaN器件設(shè)計(jì)人員通過(guò)添加一個(gè)晶格稍微不匹配的AIGaN緩沖層來(lái)利用這個(gè)壓電效應(yīng)。這樣做增加了器件的應(yīng)力，從而導(dǎo)致由自發(fā)和壓電效應(yīng)引起的極化場(chǎng)。這個(gè)二維電子氣 (2DEG) 通道就是這個(gè)極化場(chǎng)的產(chǎn)物。具有2DEG通道的器件被稱為高電子遷移晶體管 (HEMT)。不幸的是，在器件運(yùn)行時(shí)，高外加電場(chǎng)也會(huì)導(dǎo)致有害的壓電應(yīng)力，從而導(dǎo)致另外一種形式的可能的器件退化。對(duì)于諸如GaN的新技術(shù)來(lái)說(shuō)，擁有一個(gè)證明可靠性的綜合性方法很重要。如需了解與TI計(jì)劃相關(guān)的進(jìn)一步細(xì)節(jié)，請(qǐng)參考Sandeep Bahl的白皮書(shū)，一個(gè)限定GaN產(chǎn)品的綜合方法。
為了降低成本，功率GaN目前采用的是6英寸硅基板。由于硅和GaN晶格不匹配，會(huì)出現(xiàn)線程脫位。這會(huì)導(dǎo)致晶格缺陷，并增加捕獲的可能性。這些捕獲的影響取決于它們的數(shù)量和在器件中的位置。捕獲狀態(tài)，占據(jù)或非占據(jù)，也是施加的電場(chǎng)和時(shí)間的一個(gè)函數(shù)。捕獲充放電可能在最短100ns到最長(zhǎng)數(shù)分鐘的時(shí)間范圍分布。最接近柵極區(qū)域的捕獲充電和放電會(huì)調(diào)制器件的轉(zhuǎn)導(dǎo)。所有這些效應(yīng)是GaN FET的Rds-On的復(fù)雜電壓和時(shí)間相關(guān)性的基礎(chǔ)。在限定期間，工程師通常在延長(zhǎng)的期間內(nèi)對(duì)器件施加DC應(yīng)力，并且定期移除這一應(yīng)力，以描述單個(gè)半導(dǎo)體測(cè)試的情況。移除器件電壓偏置，即使只有幾秒鐘的時(shí)間，也可以實(shí)現(xiàn)某些捕獲放電，這樣的話，就不會(huì)影響到與實(shí)際運(yùn)行相關(guān)的動(dòng)態(tài)Rds-On值了。
總結(jié)
與硅FET相比，功率GaN FET具有很多優(yōu)勢(shì)，比如說(shuō)更低的開(kāi)關(guān)損耗和更高的頻率切換能力。更高的開(kāi)關(guān)頻率可被用來(lái)增加系統(tǒng)的電源轉(zhuǎn)換密度。要限定一個(gè)正在使用功率GaN FET的系統(tǒng)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該了解可能的退化源，并隨時(shí)監(jiān)視它們?cè)跍囟茸兓瘯r(shí)的影響。一個(gè)監(jiān)視動(dòng)態(tài)Rds-ON增加的簡(jiǎn)單方法就是測(cè)量時(shí)間和電壓變化過(guò)程中的轉(zhuǎn)換過(guò)程的效率。為了更好地了解損耗出現(xiàn)的位置，系統(tǒng)被設(shè)計(jì)成能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)視漏極、柵極、源極和器件電流波形。此系統(tǒng)能夠通過(guò)它們的SOA，以1MHz以上的頻率，在電壓高達(dá)1000V和電流高達(dá)15A時(shí)，硬開(kāi)關(guān)FET。
捕捉和分析實(shí)時(shí)波形可以幫助我們更好地理解高頻效應(yīng)，比如說(shuō)dv/dt、柵極驅(qū)動(dòng)器電感和電路板布局布線，這些在基于GaN的設(shè)計(jì)中都很關(guān)鍵。監(jiān)視時(shí)間和溫度范圍內(nèi)趨勢(shì)變化的實(shí)時(shí)信息能夠?yàn)槲覀兲峁└玫腉aN FET退化信息，并使我們對(duì)于更加智能器件和控制器產(chǎn)品的需求有深入的理解。
