氮化鎵 （GaN） 晶體管的開關(guān)性能要優(yōu)于硅MOSFET，因為在同等導(dǎo)通電阻的情況下，氮化鎵 （GaN） 晶體管 的終端電容較低，并避免了體二極管所導(dǎo)致的反向恢復(fù)損耗。正是由于這些特性，GaN FET可以實現(xiàn)更高的 開關(guān)頻率，從而在保持合理開關(guān)損耗的同時，提升功率密度和瞬態(tài)性能。
傳統(tǒng)上，GaN器件被封裝為分立式器件，并由單獨的驅(qū)動器驅(qū)動，這是因為GaN器件和驅(qū)動器基于不同的處 理技術(shù)，并且可能來自不同的廠商。每個封裝將會有引入寄生電感的焊線和引線，如圖1a所示。當(dāng)以每納 秒數(shù)十到幾百伏電壓的高壓擺率進(jìn)行切換時，這些寄生電感會導(dǎo)致開關(guān)損耗、振鈴和可靠性問題。
將GaN晶體管與其驅(qū)動器集成在一起（圖1b）可以消除共源電感，并且極大降低驅(qū)動器輸出與GaN柵極之間 的電感，以及驅(qū)動器接地中的電感。在這篇文章中，我們將研究由封裝寄生效應(yīng)所引發(fā)的問題和限制。在 一個集成封裝內(nèi)對這些寄生效應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化可以減少該問題，并且以高于100V/ns的高壓擺率實現(xiàn)出色的開關(guān)性能。
圖1. 由獨立封裝內(nèi)的驅(qū)動器驅(qū)動的GaN器件 （a）；一個集成GaN/驅(qū)動器封裝 （b）。
圖2. 用于仿真的半橋電路的簡化圖
仿真設(shè)置 為了仿真寄生電感效應(yīng)，我們使用了一個采用直接驅(qū)動配置的空乏型GaN半橋功率級（圖2）。我們將半橋 設(shè)置為一個降壓轉(zhuǎn)換器，總線電壓480V，死區(qū)時間50ns時50%占空比（輸出電壓 ［VOUT］ = 240V），以及一個8A的電感器電流。這個GaN柵極在開關(guān)電壓電平間被直接驅(qū)動。一個阻性驅(qū)動設(shè)定GaN器件的接通壓擺率。一個電流源只會仿真一個與連續(xù)傳導(dǎo)模式降壓轉(zhuǎn)換器內(nèi)開關(guān) （SW）節(jié)點所連接的電感負(fù)載。共源電感 高速開關(guān)中重要的一個寄生要素是共源電感（圖1a中的Lcs），它限制了器件汲取電流的壓擺率。在傳統(tǒng) 的TO-220封裝中，GaN源由焊線流至引線，而汲取電流與柵極電流都從這里流過。這個共源電感在汲取電流 改變時調(diào)制柵源電壓。共源電感會高于10nH（其中包括焊線和封裝引線），從而限制了壓擺率（di/dt），并增加開關(guān)損耗。借助圖1b中所示的集成式封裝，驅(qū)動器接地直接焊接至GaN裸片的源焊墊。這個Kelvin源連接大限度地縮 短了電源環(huán)路與柵極環(huán)路共用的共源電感路徑，從而使得器件能夠以高很多的電流壓擺率來開關(guān)�？梢詫� 一個Kelvin源引腳添加到一個分立式封裝內(nèi)；然而，這個額外的引腳會使其成為一個不標(biāo)準(zhǔn)的電源封裝。 Kelvin源引腳還必須從印刷電路板（PCB）引回至驅(qū)動器封裝，從而增加了柵極環(huán)路電感。
圖3.不同共源電感情況下的高管接通：紅色 = 0nH，綠色 = 1nH，藍(lán)色 = 5nH。E_HS是高管器件的VDS和 IDS在運行時間內(nèi)的積分值（能耗）。
圖3顯示的是高管開關(guān)接通時的硬開關(guān)波形。在共源電感為5nH時，由于源降級效應(yīng)，壓擺率減半。一個更低的壓擺率會帶來更長的轉(zhuǎn)換時間，導(dǎo)致更高的交叉?zhèn)鲗?dǎo)損耗，如能耗曲線圖中所示。在共源電感為5nH 時，能量損耗從53霬增加至85霬，增加了60%。假定開關(guān)頻率為100kHz，功率損耗則會從從5.3W增加至8.5W。
柵極環(huán)路電感 柵極環(huán)路電感包括柵極電感和驅(qū)動器接地電感。柵極電感是驅(qū)動器輸出與GaN柵極之間的電感。在使用獨立 封裝時，柵極電感包括驅(qū)動器輸出焊線 （Ldrv_out）、GaN柵極焊線 （Lg_gan） 和PCB跡線 （Lg_pcb），如圖1a中所示。 基于不同的封裝尺寸，柵極電感會從緊湊型表面貼裝封裝（例如，四方扁平無引線封裝）的幾納亨到有引 線功率封裝（例如TO-220）的10nH以上。如果驅(qū)動器與GaN FET集成在同一個引線框架內(nèi)（圖1b），GaN柵 極直接焊接到驅(qū)動器輸出上，這樣可以將柵極電感減少至1nH以下。封裝集成還可以極大地降低驅(qū)動器接地 電感（從圖1a中的Ldrv_gnd + Ls_pcb到圖1b中的Lks）。
