功率 GaN 技术和铜夹封装

越来越多的社会压力和越来越多的减少二氧化碳排放的立法正在推动从汽车到电信的行业投资于更高效的电力转换和增加电气化。传统的硅基功率半导体技术如绝缘栅双极晶体管（IGBT）在工作频率、速度方面存在根本性的限制，并且高温性能和低电流特性较差。高压 Si FET 在频率和高温性能方面也受到限制。因此，设计人员越来越多地寻求采用高效铜夹封装的宽带隙 (WBG) 半导体。

功率氮化镓技术

GaN 技术，特别是 GaN-on-Silicon (GaN-on-Si) 高电子迁移率晶体管 (HEMT) 技术在过去几年中已成为电源工程师的重点。它提供许多应用所需的高功率性能和高频开关的承诺是显而易见的。

在含铅 TO-247 封装中引入共源共栅模式技术后，许多趋势已经解决了市场在 R DS (on)、更好的开关品质因数 (FOM)、更低电容方面的改进。

在器件稳定性和易操作性方面，共源共栅配置提供了稳健可靠的硅栅极绝缘（介电）栅极结构。这意味着共源共栅 GaN FET 的有效栅极额定值为 ± 20 V（等于现有的硅超级结技术），并且可以由具有简单 0-10 或 12 V 驱动电压的标准经济高效的栅极驱动器驱动，同时提供高栅极阈值4V 电压以防止误开启。

图 1：GaN FET 的双向特性

CCPAK：具有久经考验的新动力套件

自然，GaN 技术和操作模式是关键，但与任何 FET 器件封装一样，也起着关键作用。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）的局限性变得越来越明显。为了真正利用新型高压 WBG 半导体的优势，铜夹技术将优化电气和热性能。

图 2：CCPAK1212 的内部排列

Nexperia 提出了 CCPAK 封装，以便为功率 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 的占地面积小 10%，同时允许更低的 Rdson 产品，

通过消除内部引线键合，CCPAK 提供比引线封装更低的电感。图 3 中的表格突出显示了 CCPAK1212 和 TO-247 在 100 MHz 下运行的比较，这导致总环路电感为 2.37 nH，而几乎为 14 nH。但铜夹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。当设计有空间容纳大而笨重的散热器时，从电路板和半导体组件中吸走热量相对容易。然而，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。

在热容量和导热性方面，GaN 和铜夹为 650 V 高功率 FET 创造了技术组合。

根据图 4 中描述的模拟，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：热模拟功率 GaN FET

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块都是半桥。因此，当在简单的升压转换器中将 GaN FET 与 Si FET 进行比较时，GaN 技术显示出其卓越的性能。

Nexperia 的顶部冷却 GAN039-650NTB 是一种用于半桥演示板的解决方案 – 400 V IN和 230 V OUT在 100 kHz 具有 57.4% 占空比配置，在 23.1 °C 的环境温度下运行。  

图 5：半桥演示效率

在一个400伏DC降压模式设置了一个低侧V DS为我d 20 A，尖峰，过冲的和振铃是两者期间几乎可以忽略的导通和关断。这在噪声和任何与硅相关的 Qrr 问题以及 99% 的效率结果方面具有优势

图 6：CCPAK1212 开关波形

审核编辑 黄昊宇