功率 GaN 技術(shù)和銅夾封裝

越來(lái)越多的社會(huì)壓力和越來(lái)越多的減少二氧化碳排放的立法正在推動(dòng)從汽車(chē)到電信的行業(yè)投資于更高效的電力轉(zhuǎn)換和增加電氣化。傳統(tǒng)的硅基功率半導(dǎo)體技術(shù)如絕緣柵雙極晶體管（IGBT）在工作頻率、速度方面存在根本性的限制，并且高溫性能和低電流特性較差。高壓 Si FET 在頻率和高溫性能方面也受到限制。因此，設(shè)計(jì)人員越來(lái)越多地尋求采用高效銅夾封裝的寬帶隙 (WBG) 半導(dǎo)體。

功率氮化鎵技術(shù)

GaN 技術(shù)，特別是 GaN-on-Silicon (GaN-on-Si) 高電子遷移率晶體管 (HEMT) 技術(shù)在過(guò)去幾年中已成為電源工程師的重點(diǎn)。它提供許多應(yīng)用所需的高功率性能和高頻開(kāi)關(guān)的承諾是顯而易見(jiàn)的。

在含鉛 TO-247 封裝中引入共源共柵模式技術(shù)后，許多趨勢(shì)已經(jīng)解決了市場(chǎng)在 R DS (on)、更好的開(kāi)關(guān)品質(zhì)因數(shù) (FOM)、更低電容方面的改進(jìn)。

在器件穩(wěn)定性和易操作性方面，共源共柵配置提供了穩(wěn)健可靠的硅柵極絕緣（介電）柵極結(jié)構(gòu)。這意味著共源共柵 GaN FET 的有效柵極額定值為 ± 20 V（等于現(xiàn)有的硅超級(jí)結(jié)技術(shù)），并且可以由具有簡(jiǎn)單 0-10 或 12 V 驅(qū)動(dòng)電壓的標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)濟(jì)高效的柵極驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，同時(shí)提供高柵極閾值4V 電壓以防止誤開(kāi)啟。

圖 1：GaN FET 的雙向特性

CCPAK：具有久經(jīng)考驗(yàn)的新動(dòng)力套件

自然，GaN 技術(shù)和操作模式是關(guān)鍵，但與任何 FET 器件封裝一樣，也起著關(guān)鍵作用。隨著市場(chǎng)轉(zhuǎn)向更高的開(kāi)關(guān)頻率，傳統(tǒng)封裝（TO-220 / TO-247 和 D 2 PAK-7）的局限性變得越來(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)化電氣和熱性能。

圖 2：CCPAK1212 的內(nèi)部排列

Nexperia 提出了 CCPAK 封裝，以便為功率 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 D 2 PAK-7 的占地面積小 10%，同時(shí)允許更低的 Rdson 產(chǎn)品，

通過(guò)消除內(nèi)部引線鍵合，CCPAK 提供比引線封裝更低的電感。圖 3 中的表格突出顯示了 CCPAK1212 和 TO-247 在 100 MHz 下運(yùn)行的比較，這導(dǎo)致總環(huán)路電感為 2.37 nH，而幾乎為 14 nH。但銅夾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)有空間容納大而笨重的散熱器時(shí)，從電路板和半導(dǎo)體組件中吸走熱量相對(duì)容易。然而，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。

在熱容量和導(dǎo)熱性方面，GaN 和銅夾為 650 V 高功率 FET 創(chuàng)造了技術(shù)組合。

根據(jù)圖 4 中描述的模擬，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：熱模擬功率 GaN FET

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)建塊都是半橋。因此，當(dāng)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)顯示出其卓越的性能。

Nexperia 的頂部冷卻 GAN039-650NTB 是一種用于半橋演示板的解決方案 – 400 V IN和 230 V OUT在 100 kHz 具有 57.4% 占空比配置，在 23.1 °C 的環(huán)境溫度下運(yùn)行。 ?

圖 5：半橋演示效率

在一個(gè)400伏DC降壓模式設(shè)置了一個(gè)低側(cè)V DS為我d 20 A，尖峰，過(guò)沖的和振鈴是兩者期間幾乎可以忽略的導(dǎo)通和關(guān)斷。這在噪聲和任何與硅相關(guān)的 Qrr 問(wèn)題以及 99% 的效率結(jié)果方面具有優(yōu)勢(shì)

圖 6：CCPAK1212 開(kāi)關(guān)波形

審核編輯 黃昊宇