【技术大神】EPC的eGaN FET关键电气特性分析

时间： 2018-02-10 来源：EPC（世强编辑整理） 作者：程增木

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氮化镓技术速度、效率俱优，且具有低成本的优势。宜普电源转换公司（EPC）于2009年6月推出首款商用增强型氮化镓晶体管。目前，EPC提供100种以上产品，包含eGaN场效应晶体管、超高频氮化镓场效应晶体管、第四代氮化镓场效应晶体管等。本文就氮化镓FET的基本电气特性做介绍。

每个半导体都有其能力的限制。这些限制通常在设备数据表中明确表达，并作为设计人员如何保证设计没有隐藏质量问题或可靠性问题的提供了指南。EPC的eGaN FET数据手册在第一页的顶部显示了这些最大限制。表1显示了一个例子。

对于EPC2010，最大V_DS（从漏极到源极施加的电压）为200V。该设置假定施加在栅极上的电压相对于源极是0V。较高的栅极到源极电压可能会导致漏极和源极之间的电流扰动，如果超过FET热极限，可能会使器件过热。表1的倒数第二行给出了热限值。在本例中，最大值为125℃。

最大漏极电流（ID）额定值既作为连续电流又作为脉冲电流给出。连续电流额定值（本例中为12A）假定环境温度保持在25℃，并且FET结到环境的热阻小于13℃/W。如果器件的导通电阻最小，而导通电阻的温度系数最差，那么器件将保持在125℃的温度下，施加12A的DC电压。脉冲ID（在这个例子中为60A）也被设置为使得如果施加300μs持续时间的单个脉冲，器件的最大结温将保持在125℃以下。

V_GS（施加在栅极和源极之间的电压）在正向上最大为6V，在负向上最大为5V。与功率MOSFET相比，这些值相对较低，设计人员需要确保其布局不会超出栅极电压等限制。

eGaN FET的最低工作和存储温度（TJ和TSTG）为-40℃。在此值以下，无法进行功能测试，因此该值被选择作为下限。同样，125℃的最高工作温度和150℃的储存温度是器件长期稳定性测试的最高温度。

表1：以EPC2010 eGaN FET 的最大额定值为例。

器件的关键参数

关键的工作参数应该给设计师提供必要的信息来设计一个可预测结果的系统。表2是前面部分中使用的相同EPC2010的这些关键参数的一个例子。除非另有说明，这些参数值均为室温。

BV_DSS（漏-源击穿电压-表2中的第1行）与最大VDS相同，但是在本表中给出了器件在此电压下的最大电流（200μA）。这个漏电流乘以BV_DSS，表明这个器件在阻断全电压的情况下只消耗40mW；在大多数电力转换系统中是不重要的。

I_DSS（漏-源电流-表2中的第2行）是另一种查看阻断电压时的功耗量的方法。在本例中，I_DSS指定为额定BV_DSS的80％，因为对于大多数使用200 V额定值晶体管的系统而言，这是一个更为常见的工作点。需要注意的是，在160 V时，漏极至源极漏电流的典型功耗仅为8 mw。

I_GSS（门-源极漏电电流，表2中的第3-4行）在正向和反向两个方向上指定。大多数设计能够较好地适应在e型GaN晶体管中正常的小泄漏电流。图1示出了EPC2010的I_GSS分别在25℃和125℃下和V_GS的关系。

图1：以EPC2010为例，25℃125℃的栅极电流与栅源电压的关系。

V_GS_（TH）（阈值电压-表2中的第5行）是从栅极到源极施加的电压，在该电压以下器件以最小电流工作。在本例中，它具有1.4V的典型值。如果栅极电压保持在0.7V以下，则该器件的漏极至源极电流将小于3mA。与功率MOSFET不同，该阈值电压对温度不敏感，如图2所示。

图2：归一化阈值电压与温度的关系，在EPC2010的工作范围内只有3％的变化。

R_DS_（ON）（导通电阻-表2中的第6行）是当栅极到源极施加5V电压时eGaN FET的电阻，以及25摄氏度时漏极到源极的6A电流。R_DS_（ON）将随所施加的栅极电压和器件的结温而变化。从图3中可以看出，为了实现漏极电流小于40A时的最低（完全饱和）R_DS_（ON），仅需要给栅极施加4V电压。

图3：EPC2010各种漏极电流的导通电阻与栅源电压的关系。

表2：以EPC2010 eGaN FET为例的关键参数

eGaN技术的优势之一是导通电阻（R_DS_（ON））随着温度的升高而降低，如图4所示。而硅在25℃和100℃之间R_DS_（ON）增加数值高于 70％，eGaN FET增加了约50％。假设在25℃时具有相同的初始R_DS_（ON），在典型的100℃结温下，这大约可以降低15％的R_DS_（ON）。

图4：EPC2010 eGaN FET和各种200V额定硅MOSFET的归一化R_DS_（ON）与温度之间的比较

V_SD（源-漏正向电压-表2中的第7行）是从源极到漏极施加电压时器件两端的电压降。这是与正常的正向FET导通相反的方向。在电流为0.5A和栅源电压为0 V的情况下，V_SD的典型值为1.8V。图5显示了这个“体二极管”正向压降如何随着源-漏极电流而变化。应该注意的是，由于通过使用漏-栅极电压反向导通2DEG来形成该“体二极管”以增强沟道，所以如果栅极电压降低到0V以下，则会出现前向下降。例如，如果电路的栅极驱动通过向栅极施加负1V而变成eGaN FET，则0.5A情况下的V_SD将变为2.8V。

图5：EPC2010的体二极管正向压降与源漏极电流和温度的关系。

总结：

在本文中，我们讨论了eGaN FET的重要电气参数，并展示了它们与目前最先进的硅功率MOSFET相比具有明显的优势。由于硅功率MOSFET自从三十多年前推出以来，已经走过了很长一段路，所以假设基础eGaN功率晶体管结构和几何结构的未来优化将在未来几年显示出类似的改进。

技术顾问：叵仄兮

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