氮化镓晶体管到底有什么了不起？

新的氮化镓（ GaN）晶体管的数据表规格不能告诉你所有你需要了解的这些特殊器件。本文不会让你像在水面上行走——不过，你会知道哪里有一些垫脚石。本文还将带来一些善良的焦虑——因为它也是给氮化镓供应商的一封公开信。

今年，我们将看到许多公司推出真正的，但不理想的高压氮化镓晶体管。这些新器件将被提供给市场的级联（cascode）结构。它们将只选择那些要求签署一份非公开协议的客户进行交付。其中将包括限制任何逆向工程活动的额外条款，甚至有可能包括样品返还政策，本文将会解释个中的原因。

氮化镓晶体管显然对高速、高性能MOSFET器件构成了非常严重的威胁。氮化镓上硅（GaN on Si）晶体管预计的低成本，甚至还有可能使IGBT器件取代它们在较低速度、650V，非常高电流电源应用中的统治地位。图1中所示为市场机会。

有竞争力的商业需求、感知和实际利益推动了风险资本权益、并购行家、战略投资者活动、联盟和对我们参加的铺天盖地的，甚至强制性的贸易展的的兴趣。这就解释了你将在你的通常的良性非披露协议中插入看到的额外“法律”工作。另一个问题当然是器件的不成熟。在你的应用与你所不熟悉的这些晶体管的非凡速度的结合方面也有不确定性，以便你将不会让担化镓晶体管过应力。没有氮化镓积极参与者会希望你传播你的戏剧性的失败故事。

电压过冲和过载的问题是令人关注的问题，需要氮化镓供应商加以解决。下面是针对创建氮化镓晶体管和二极管台适标准的一种试探性的方法。

额定电压？

已经出现的一系列的实际工作电压“标准”如表1中所示。然而，由于氮化镓器件没有雪崩规范，你会期望它们将必须至少能承受也许是高于额定工作电压20-25%的应力电压范围。你推测的安全系数意味着，一个650V额定器件将有望在达到800V的反复电压偏移条件下安然无恙。

不幸的是，列于表1中的简单的安全边际概念是有缺陷的。必要的是，你要认识到，我们的氮化镓晶体管类似于“陶瓷电容”。这意味着，在击穿条件下它们可被摧毁。Michael Bnere在2012 APEC上回答了个问题，陈述了相关的问题。

Cree的Mrinal Dasl描述了高电压碳化硅（SiC）器件的降额演变。随着器件技术的成熟，所需的降额量自然减少了。Das描述的Cree1200V碳化硅MOSFET的额定值写于2011年。当时的器件有1700V中间雪崩击穿电压。制造和现场数据的积累通常会允许选择一个更小的安全边际。或许在这个时候，2013年，额定电压为1200V的碳化硅器件具有1500V的中间雪崩击穿电压。因此，表1所示的上述氮化镓器件也许意味着某些不当的傲慢——我们有种不成熟和非常与众不同的技术——我们不能如图所示那样评价我们的1200V器件。例如，我们不能确定，我们在所示的1200V条件下有300V的边际。

当然，由于氮化镓器件没有可重复行使的击穿电压能力，理性看图1中所示的图表有错误的前提。

真正的额定电压——阻断电压

想一想阻断电压。氮化镓的答案是针对每个器件的大小制定漏电流限制。国际整流器（International Rectifier） 所示的典型漏电流600V级联。这实现了每毫米栅极宽度50nA以下的漏电流。该器件必须在额定电压及以上阻断。在每毫米高达400nA时，150度条件下的漏电流被认为是可接受的。这些低泄漏数字表明，lR级联使用的常开型（normally-on）氮化镓器件使用了MIS栅极结构。传统的肖特基门控器件将显示出更高的泄漏。然而，同样的原则也适用—想一想lR建议的阻断电压和使用可重复的、可测量的漏电流标准。在表1所示的“最小击穿电压”空间，利用Transphorm使用的短语“瞬态漏极至源极电压”，也进一步定义了电压偏移的瞬态时间加上电压偏移。

封装和性能

简单的级联电路无法提供转换速率（slew rate）控制，从而使PC板布局变得至关重要。此外，栅极驱动器的特性是部分地由封装内部串联的源极电感所控制的。这可能像有引线封装的4-6nH那么高。尽管Transphorm显然以适应的TO-220封装取得了成功，使其可用于所有氮化镓供应商的氮化镓应用（包括Transphorm）倾向于采用的5mmX6mm或8mmX8mm PQFN封装。8mmX8mm PQFN的大占位面积允许采用定制IC驱动器，从而提供了增加转换速率控制等功能的可能性。12mm×12mm大的PQFN封装允许采用完整的半桥和驱动电路。混台集成的水平可以更进一步，并可以设想集成一个完整的图腾柱PFC。通过使用氮化镓器件使这个电路成为可行，因为它们具有非常低的Orr。例如SJ MOSFET IPL60R199CP的Orr是5500nC，而Transphorm和氮化镓系统氮化镓级联的Qrr低了10到20倍 ——对于有较低导通电阻的器件为16.2至54nC。氮化镓供应商需要确定并展示氮化镓级联在选定的应用中的压倒性优势。Transphorm “PFCT”倡议是在这个方向引人注目的第一步。

在氮化镓的开发阶段已经令人满意地发现了氮化镓在特定导通电阻和优值方面的优势。然而相反，我们的宣传赋予了SJ MOSFET概念新的生命。正如图2所示，英飞凌预计2013/2014年推出具有3.4优值的600V SJMOSFET。我们预期，十有八九的优势需要通过改进级联来重新建立。这些可能来自于强大的、低电压常关型氮化镓晶体管的出现，以取代我们现在使用的分立式MOSFET.

结论

氮化镓器件将以许多不同的方式重新教育工程师。简单级联结构的极大的开关速度失控会产生以前没有经历过的EMI和电压过冲问题。氮化镓级联结构从本质上讲是一个功率微波集成电路。当低电压MOSFET用个常规MOSFET驱动器驱动时，级联将提供50和100V/nS的开关速度，同时开关20至50A。因此，封装问题需要加以解决。应该开发一个标准化的封装，允许源检测连接并进一步允许实现最小的回路电感。Michael Briere已经要求氮化镓供应商开发针对氮化镓器件资格的标准。这个想法需要被扩大到包括第二个来源安排、常用测试方法，同时也要实现利于生产的封装标准。

审核编辑 ：李倩