采用铜夹封装的共源共栅氮化镓功率器件具有出色的功率转换性能

采用功率氮化镓器件的共源共栅架构采用耗尽模式（ d 模式） HEMT 器件，在高功率转换应用中具有许多优势。改进的封装有助于最大限度地利用氮化镓的优势。本文详细介绍了 Nexperia 在 2023 年 12 月的 PowerUP 虚拟博览会上展示的用于其共源共栅功率 GaN 器件的铜（ Cu ）夹片 CCPAK 封装的开发。

共源共栅氮化镓架构的优势

在共源共栅架构中，一个常导通的 d 型 HEMT 与一个常关的低压硅 MOSFET 器件耦合，如图 1 所示。

图 1 ：采用 d 模式 GaN 功率 HEMT 的共源共栅架构及其部分优势（来源： Nexperia ）

硅器件控制栅极驱动，因此可以灵活地使用用于驱动硅 MOSFET 的常见栅极驱动器。使用高阈值电压（ Vth ） MOSFET ，栅极驱动变得非常稳健，能承受高过驱裕量和 ±20V 外部栅极电压（ Vgs ）。这与增强模式（ e 模式） GaN 器件低 Vth （ <2V ）典型值形成鲜明对比，其中最大 Vgs 通常限制在 6–7 V ，这限制了过载。此外，高 Vgs 还对栅极驱动、漏极开关转换产生的栅极耦合以及封装和电路板布局中增加的寄生电感施加了更大的限制，以最大限度地降低可能导致寄生导通的噪声和振荡。

使用 d 模式 GaN HEMT 可改善其导通状态性能，提高载流子迁移率，并改善关断状态，共源共栅硅器件的栅极泄漏要低得多。改进的导通状态性能转化为更高的额定电流器件。与 d 型器件共源共栅排列的另一个关键优势是其在较高温度下的性能得到改善。如图 2 所示， e 模式器件的漏极电流在 25°C 至 150°C 范围内下降了 100% 以上，而共源共栅器件在高温下的变化较小。

图 2 ：室温和高温下的漏极电流栅极电压传输特性比较（来源： Nexperia ）

碳化硅 MOSFET 与硅 MOSFET 非常相似，其转移曲线中表现出零温度交叉。虽然由于热失控原因，在曲线的负漏极电流温度系数部分以最大额定值运行通常是有利的，但与 e 型器件相比，共源共栅器件的特性允许使用最大高温额定功率降额较小的器件，从而提高效率。共源共栅器件的特性使其在使用更简单的自举栅极驱动器时更加宽容。

D 模式共源共栅架构的另一个关键优势是反向传导下的第三象限压降要低得多，如图 3 所示。这是因为唯一明显的电压降来自低压硅 MOSFET 体二极管。较低的压降可以提高电路死区时间的灵活性（如图 3 中的时间 A 和 B 所示），并降低给定死区时间的死区时间损耗。对于 e 模式器件，由于器件的 Vth 较小，会在关断时使用负 Vgs ，而这会导致损耗提高。与 e 模式 GaN 外壳中潜在的高损耗和 SiC MOSFET 中的劣化体二极管相比，较低的死区时间损耗也可以转化为反向导通的可靠性的提高。

图 3 ：共源共栅器件在整个温度范围内的反向电流压降和反向特性比较（来源： Nexperia ）

用于氮化镓的铜夹封装

Nexperia 在硅 MOSFET 器件铜夹封装使用方面拥有 20 多年的经验。此封装称为 LFPAK 。 2021 年， LFPAK 器件的出货量超过 17 亿片，这表明该封装在包括汽车在内的许多应用中得到了广泛接受。

基于这一经验， Nexperia 为其 650V GaN 功率器件推出了铜夹封装。此封装称为 CCPAK1212 ，该编号表示 12 × 12 毫米尺寸。如图 4 所示，提供底部和顶部冷却的 CCPAK1212 封装产品。对于顶部冷却器件，器件被翻转，源极冷却卡位于顶部。这可以提供 PCB 空间使用的灵活性，并可以进一步改善散热。

图 4 ： Nexperia 在 650V GaN 功率器件上采用 CCPAK1212 封装。（来源： Nexperia ）

与其它封装相比， Cu-clip 封装的一些主要优点是：

• 较低的热阻（ Rth ）和封装附加热阻。与传统的引线键合封装相比， Cu 的大横截面积提高了电气和热性能。即使相比之下，封装的尺寸要小得多，也是如此。将夹子直接焊接到芯片上的源连接上，有助于防止焊丝出现高电流密度区域和由此产生的热点。这也提高了更高功率水平下的可靠性。例如，安装底座的最大结点（ RTH （ J-MB ）） 的 Nexperia TO-247 封装 650V GaN 器件 GAN041-650WSB ，额定典型导通电阻 RDS （ on ） 35mΩ ，额定值为 0.8K/W 。即将推出的 650V CCPAK1212 封装顶部冷却器件 GAN039-650NTB 的数据表，额定值为 RDS （ on ）为 33mΩ ，最大 RTH （ J-MB ）为 0.5K/W 。

• 寄生电感更低。与引线键合封装相比，铜夹封装的寄生封装电感可降低 3× 。这样可以提高开关效率，并降低开关转换期间的电磁干扰。这在氮化镓功率器件中尤为重要。其低器件电容和改进的开关品质因数 （ FOM ） 可实现更快的开关频率和转换。具有低封装电感，可以在较小的过冲电平下实现这一点，从而提供系统级优势。 CCPAK1212 封装中的总源漏电感仅为 1.2nH 。相比之下，竞争对手采用无引线 TOLL 封装的 SiC 器件为 2nH 。

• 与传统的 QFN/DFN 表面贴装封装相比，提高了板级可靠性。如图 5 所示， CCPAK 具有外露的、灵活的鸥翼式引线。这使得 CCPAK 引脚能够吸收与温度循环引起的热膨胀和收缩相关的应力。相比之下， QFN/DFN 封装中的完全封装引线不允许引线发生任何移动，这意味着焊点会吸收大量应力，从而产生接头退化的风险。模具中的裂纹也会造成封装过早失效的风险。

图 5 ：比较 CCPAK 和 QFN/DFN 封装在温度循环期间的电路板可靠性（来源： Nexperia ）

CCPAK 中的共源共栅氮化镓性能

在硬开关和软开关条件下评估了 650V 顶部冷却 CCPAK GaN 的性能。图 6 显示了工作在 100kHz 开关频率下工作的硬开关 400V 至 230V 降压转换器的开关性能。优秀的 Rth 在这种风扇冷却应用中可实现高效率（ >98% ），功率高达 6kW 。开关波形显示约 7ns 的快速上升时间，过冲小于 20V 。