摘要：  品质因数(FOM)是比较增强型GaN(eGaN)功率器件和先进的硅MOSFET的一个准绳。然而，在这些纯数字以外，其它与器件和封装有关的参数也会显著影响电路中的性能表现。在对器件作出比较时，我们限于比较商用的eGaN器件及把MOSFET的电压范围限制在40V到200V之间，以便作出直接比较而不需要进行推断。

关键字：  品质因数，  功率器件，  器件，  封装

品质因数(FOM)是比较增强型GaN(eGaN)功率器件和先进的硅MOSFET的一个准绳。然而，在这些纯数字以外，其它与器件和封装有关的参数也会显著影响电路中的性能表现。在对器件作出比较时，我们限于比较商用的eGaN器件及把MOSFET的电压范围限制在40V到200V之间，以便作出直接比较而不需要进行推断。

FOM是非常有用的，因为不管裸片尺寸有多大，对于给定技术或器件工艺(在某种假设条件下)来说，FOM总是保持不变的。

为了理解FOM的由来，我们必须了解GaN的寄生电抗，见图1。另外，我们必须确定GaN的参数，如表1所示。

现在让我们看看两种截然不同的FOM：

开关FOM(越小越好)：在测量开关性能时通常会使用(RDS(ON)x QGD) ，因为QGD在开关损耗中占主导作用，因为对于给定的技术来说，我们不可能减小QGD数值而不增加RDS(ON)。这是衡量开关性能的一个很好指标，虽然使用QSW (QGD+ QGS2) 比使用QGD更好，但数据手册中不一定总会提供QSW (QGD+ QGS2)这些值。

整流器FOM(越小越好)：这是一种传统的MOSFET FOM，可以从传导和栅极驱动功率损耗方面(RDS(ON)x QG)判断整流器的性能。

图1：eGaN寄生电感。

对于 “软”开关器件来说，QGD并不重要，你可能想通过降低RDS(ON)来提高效率，但这会增加QG，从而增加栅极驱动损耗和过载时间。在评估性能时，最好同时包括QOSS 、QRR和QG ，虽然RDS(ON)和QG有合理的标准条件，QRR 却没有标准，而且常常基于不切实际的di/dt和电流值标准进行设定。

数据手册中也常常缺少随条件发生的变化资料。QOSS在许多情况下经常被省略，或有时与QRR结合在一起。它的条件也没有标准(eGaN晶体管没有可测量的 QRR，单位面积的QOSS要比硅MOSFET低，但本文的分析将不考虑这一点)。

就这两种FOM而言，开关性能在“硬开关”转换器电路中更加重要。图2给出了eGaN功率晶体管和不同等效硅MOSFET的RDS(ON)与QGD的对应关系。

图2：不同功率晶体管的RDS(ON)和QGD关系曲线。

我们发现根据开关FOM，eGaN晶体管与任何等效额定电压的硅器件相比具有明显的优势，在一些常见的观察资料中可见一斑：

40V eGaN晶体管相当于目前最先进的25V横向硅器件。

为了便于比较，我们也用了在MOSFET改革之初(大约是1980年)推出的一些100V器件。从中可以看出，在过去30年的MOSFET发展历程中，开关FOM下降了40倍!

然而，随着硅开始接近其理论极限，下一个30年再有40倍的改进似乎是不可能的了。

但与此相反的是，eGaN晶体管很可能在更短的时间内实现40倍的改进。由于200V eGaN器件的FOM已经与目前可用的最好的100V硅器件FOM相似，因此其前景真的让人感到无比兴奋!在图3给出的eGaN功率晶体管以及不同的等效硅MOSFET的RDS(ON)和 QG的对应关系中显示了整流器FOM。

图3：不同功率晶体管的RDS(ON)和QG关系曲线。

我们可以从中得出一些结论：虽然传导FOM的改进没有像开关FOM那样显著，但改进幅度在过去30年中仍然达到20倍。这种较低的性能提升可以这样解释：发展有关技术以提高更关键的开关性能(例如沟道)导致了输入电容的相对增加，进而负面影响到整流器FOM。eGaN功率晶体管的改进幅度要比等效的硅器件更大。零QRR和更低的QOSS也明显有利于eGaN晶体管，但在上述比较中被省略了，因为这些参数在硅器件中没有得到很好的表征。

虽然FOM对于比较开关型功率器件来说是一种有用的工具，但还有许多同样重要的其它参数值得考虑。为了详细讨论这些参数，我们可以将它们分成两大类：与器件/裸片相关的参数;与封装相关的问题。

与器件相关的参数

同步整流技术消除了许多传统的二极管传导损耗，但这样做需要付出一定的代价。由于在电压换向之前MOSFET必须关断，因此体二极管也必须在一小段时间内传导电流。

电流本身倒并不显著，但MOSFET体二极管一般具有非常差的反向恢复特性(高QRR)，现在一旦传导电流后必须马上恢复。若果尝试将电流换向外部肖特基二极管或其它高性能二极管，我们将受制于缺少换向电压(体二极管前向压降)，而且在器件之间存在大环路电感，限制了di/dt，从而延长换向时间。

我们可以通过肖特基二极管的蜂窝式集成或通过MOSFET寄生体二极管的谨慎改进而得以解决部分问题。

QRR损耗的实际程度很难预测和比较，因为各个器件和制造商的数据手册上的测试条件可以大不相同。表2给出了一些示例条件和结果。请注意，越大的初始电流应导致更大的QRR和反向恢复时间(tRR)值。

从图4可以看到，宜普电源转换公司(EPC)的eGaN晶体管结构是一种横向器件，没有硅MOSFET中常见的寄生双极结点。因此其体二极管工作机制是不同的，但功能相似。由于从栅极到源极处于零偏置状态，因此在栅极区域下没有电子(器件处于关断状态)。当漏极电压下降时，栅极上将出现相对于漂移区正向的偏置，从而向栅极下方注入电子。一旦达到栅极阈值，栅极下面将有足够的电子形成导通通道。

图4：宜普公司的eGaN功率晶体管结构。

这种机制的好处是传导中不涉及少数载流子，因此不存在反向恢复损耗。

由于需要利用阈值电压使eGaN晶体管反向导通，体二极管的前向电压要高于硅晶体管(典型eGaN器件约为1.8V)。至于硅MOSFET，应尽量减小体二极管导通电流。

输出电容损耗

在半桥“硬”开关(器件导通时在漏极-源极间有满偏置电压下)期间，相当于存储在两个器件的COSS中的能量将被消耗掉。在典型的降压转换器中，“软”开关存在于开边和关边的一边(器件导通时在漏极-源极间没有电压，同时自身的体二极管在器件导通前导通)。

过去，这种损耗与实际开关损耗相比是可忽略的，但随着器件开关FOM的不断提高，这种损耗变得越来越重要。

事实上，一些制造商(包括宜普)开始在数据手册中增加QOSS的典型值。

此外，这个QOSS值可以通过对COSS与电压曲线对应进行估计。在图5中，对100V和200V eGaN晶体管和硅MOSFET的COSS与电压曲线进行了比较(所有器件都统一为25mΩ)。由于曲线下方位置非常重要，初始(接近零偏置)值和最终高偏置值都会影响QOSS总值。由于eGaN器件本身是一种较小的横向结构器件，eGaN器件具有低得多的初始COSS值。然而，在高偏置条件下，eGaN器件的COSS不像硅MOSFET那样会很快消失。

图5：统一为25mΩ时的COSS和VDS关系曲线。

总之，在对相同器件绘制QOSS与对应电压曲线时，eGaN的总QOSS损耗明显要比可相比的硅器件低得多，见图6。在一半的额定电压时，eGaN器件的QOSS损耗介于可比硅器件的一半与三分之二之间。

图6：统一为25mΩ时的QOSS和VDS关系曲线。

参数与温度的关系

与硅器件相比，eGaN的一个主要优势是导通电阻(RDS(ON))随温度上升的幅度比较小，如图7所示。在25℃和100℃之间硅器件的RDS(ON)的增幅超过70%，而eGaN只有40%。假设25℃时有相同的初始RDS(ON)值，那么eGaN这个特性将导致在典型的100℃裸片温度时，RDS(ON)可以低20%以上。

图7：eGaN和硅之间统一RDS(ON)和温度关系的比较。

众所周知，与少数载流子器件不同，硅MOSFET具有正的RDS(ON)温度系数，因此非常适合并联使用，不会发生热失控。但鲜为人知的是，由于电压阈值也具有负温度系数，这将导致无法实现动态电流分担。

对于MOSFET通常运行在饱和状态的线性放大器或类似应用来说，这也是个问题。典型的200V MOSFET的这种温度系数是0.325%/℃。eGaN器件的电压阈值也具有负温度系数，但小于300ppm/℃，因此能动态分担除了最小漏极电流外的所有电流。

随着过去几年来低压硅MOSFET性能的提高，对高性能封装的需求已经成为总体器件性能中的一个主要限制因素。因此业界开发出的像DirectFET2或PolarPak3这样的创新封装应运而生。但对高性能封装的真正要求是什么呢?

一般来说，半导体器件需要通过封装提其高鲁棒性和易用性。此外，在高压应用中，我们需要采用某种封装形式来满足其它封装可能无法满足的电压隔离和漏电要求。然而，与半导体裸片相比，这样封装过的器件的特性会被劣化，可从其成本、导通电阻、引线电感的增加，以及降低了的热性能等方面看得到。

要让高性能封装脱颖而出，需要能够实现器件封装所要求的优势，同时最大限度地减少其缺点或问题 - 也就是说越简单越好。在低压应用中，如DirectFET、PolarPak和倒装芯片的无引线、双面冷却封装，已经成为一种卓越的解决方案。选择哪种封装很大程度上取决于器件的端子结构：垂直还是横向。横向器件可用简易的倒装芯片封装(如Greatwall BGA MOSFET)，而垂直的“倒装”器件则需要将“背部”端子向下引至印刷电路板(如DirectFET或PolarPak)。在同样的方式下，eGaN器件是采用条栅阵列而不是球栅阵列的倒装芯片封装，使用内部指状突起的源极和漏极端子来尽量减少导通电阻和寄生电感。

封装电阻和电感

在图8中，不同的标准功率封装，其估计封装电阻值显示在eGaN倒装芯片器件的旁边。增加封装电感会有不同的效果，这取决于裸片的哪个端子增加了封装电感。

图8：针对不同功率封装所估计的无裸片封装电阻。

图9给出了eGaN倒装芯片裸片与其它标准功率封装作出比较的总体封装电感估计值。共源电感(封装内连接到源端子的电感，同时承载着漏极和栅极返回电流)会显著增加开关损耗，因为施加栅极电压的感应反向电压降低了器件的开关速度。

图9：针对不同功率封装所估计的无裸片封装电感。

现在我们考虑器件导通时的情况，如图10所示。简单地讲，当器件达到阈值电压并开始承载越来越大的电流时，这种di/dt将导致源电感上产生一个与栅极驱动电压相反的电压，这个电压将试图重新关断器件。同样地，在器件关断期间，感应电压将加在栅极驱动电压处，进而试图保持器件导通。因此需要尽量减小共源阻抗以获得最佳的开关性能。

图10：器件导通时的等效电路显示了由共源电感产生的di/dt感应电压。

硅器件制造商非常清楚最大限度地减小封装电阻和共源电感这个要求，而且发明了诸如绑定带、铜夹/带等来减小封装电阻及增加独立的驱动源引脚(如IXYS DE-Series和ThinPak)来减少共源电感，而PolarPAk、DirectFet技术可同时减小封装电阻和共源电感。

由于最终产品面临着更低成本和更小尺寸的压力，功率器件的尺寸变得越来越重要。一般来说，如果能满足散热要求，尺寸较小的产品往往更受青睐。将器件封装起来几乎总是会降低其散热和电气性能。

在相同的额定电压下，eGaN器件允许单位面积具有小得多的导通电阻，进而减小裸片和封装尺寸。表3对具有相同RDS(ON)指标的eGaN器件和最小封装的硅器件进行了比较。除了品质因数有改善外，如今的eGaN器件还具有许多优于硅器件的其它优势。最值得注意的是没有了二极管反向恢复损耗(QRR)，而这种损耗在较高电压应用中是非常显著的。其它优势还包括更低的QOSS和更好的RDS(ON)与温度的对应关系。代价则是更高的eGaN“体二极管”前向压降所引起的损耗——但仅在低压应用中比较重要——需要通过合适的栅极信号时序，将损耗降至最低。

eGaN器件的横向结构也使得它非常适合采用倒装芯片封装，这是一种非常高性能的封装解决方案，因为导通电阻和端子电感的增加幅度是最小的。加上eGaN器件相对于硅器件的明显的裸片面积优势，从而最终产生了具有高性能封装、体积比当今任何商用化产品都明显小得多的卓越功率器件。

未来发展

在今后的课题中，我们将讨论有关最大限度地发挥这些eGaN器件性能方面的要求，包括栅极驱动器要求和合适的器件额定值等电气方面的要求，以及器件外形尺寸、合适的布局、装配和散热需要等机械方面的要求。