功率氮化镓技术及电源应用热管理设计挑战

来自社会的压力越来越大，有关减少CO2排放的法规越来越多，这正推动着从汽车到电信行业的投资，以提高电力转换效率和电气化程度。诸如绝缘栅双极晶体管（IGBT）之类的传统基于硅的功率半导体技术从根本上限制了工作频率，速度，并且具有较差的高温性能和低电流特性。高压Si FET的频率和高温性能也受到限制。因此，设计人员越来越希望在高效的铜夹封装中使用宽带隙（WBG）半导体。

功率氮化镓技术

过去几年中，GaN技术，特别是硅上GaN（硅上GaN）高电子迁移率晶体管（HEMT）技术已成为电源工程师的主要重点。提供许多应用所要求的高功率性能和高频开关的承诺是显而易见的。

在采用带引线的TO-247封装中采用共源共栅模式技术之后，市场上出现了许多趋势，这些市场朝着R DS（开启），更好的开关品质因数（FOM）和更低的电容方面的改进方向发展。

当涉及到器件稳定性和易操作性时，共源共栅配置可提供硅栅极的坚固且可靠的绝缘（电介质）栅极结构。这意味着共源共栅GaN FET具有±20 V的有效栅极额定值（等于现有的硅超结技术），并且可以由标准的具有成本效益的栅极驱动器以简单的0-10或12 V驱动电压来驱动，同时提供较高的栅极阈值4V的电压可防止误导通。

图1：GaN FET的双向特性

CCPAK：具有久经考验的新型动力套件

自然地，GaN技术和操作模式是关键，但与任何FET器件封装一样，它都起着至关重要的作用。随着市场转向更高的开关频率，传统封装（TO-220 / TO-247和D 2 PAK-7）的局限性越来越明显。为了真正利用新型高压WBG半导体的优势，铜夹技术将优化电性能和热性能。

图2：CCPAK1212的内部布置

Nexperia提出了CCPAK封装，以为Power GaN FET解决方案提供铜夹的优势。CCPAK1212相当于TO-247机身尺寸的约五分之一（21.4％），或者比D 2 PAK-7紧凑的占地面积小10％，同时允许使用更低的Rdson产品，

通过消除内部引线键合，CCPAK的电感比含铅封装的电感低。图3中的表突出显示了CCPAK1212和TO-247工作在100 MHz时的比较，这导致总环路电感为2.37 nH，而几乎为14 nH。但是，铜夹式封装还有助于提供超低封装电阻，包括<0.5 K / W的热阻。

图3：自感@频率100 MHz

热性能和半桥优势

长期以来，热管理一直是电源应用的设计挑战。当设计中有用于容纳大体积散热器的空间时，将热量从电路板和半导体组件中带走相对容易。但是，随着功率水平以及功率和电路密度的增加，这变得更加难以处理。

GaN和铜夹在热容量和热导率方面创造了650 V大功率FET的技术组合。

根据图4中的仿真，工程师估计CCPAK的Rth仅为0.173°C / W，而TO-247的Rth为0.7°C / W。

图4：热仿真功率GaN FET（图5）

无论是AC / DC PFC级，DC / DC转换器还是牵引逆变器，大多数拓扑的基本构建模块都是半桥。因此，在简单的升压转换器中将GaN FET与Si FET进行比较时，GaN技术表现出了卓越的性能。

Nexperia的顶部冷却GAN039-650NTB是半桥演示板中使用的解决方案-100 kHz时400 V IN和230 V OUT，占空比为57.4％，在环境温度23.1°C下工作。  

图5：半桥演示效率

在I D为20 A的低端V DS的400 V DC降压模式设置中，在接通和关断期间，尖峰，过冲和振铃几乎可以忽略不计。这在噪声和任何与硅相关的Qrr问题方面均具有优势，效率结果为99％

图6：CCPAK1212开关波形

 

编辑：hfy