1. 命名規(guī)則

以CG65030TAD產(chǎn)品為例，"C" 為公司名CloudSemi, "G" 代表GaN產(chǎn)品，"65" 代表產(chǎn)品建議的最大耐壓為650V，"030"代表器件的最大導(dǎo)通電阻為30mΩ，"TA"代表使用 TOLL 封裝，除此以外云鎵還有 DFN、TOLT、TO220F 和 TO252 等多種封裝類型，最后一位 "D" 為版本號。

2. 元件符號

CG65030TAD采用TOLL封裝，相較于傳統(tǒng)Si MOS 的 TOLL 封裝，云鎵的 GaN TOLL 封裝在常規(guī)的Gate, Source, Drain 之外，還提供了SK (KelvinSource) 管腳，在使用的時候，SK端口接入驅(qū)動回路，不參與功率回路的工作。在開關(guān)過程中，源極上的寄生電感在大的di/dt場合下容易導(dǎo)致柵極波形振蕩。引入SK端口后，功率回路和驅(qū)動回路實現(xiàn)了分立，功率回路電流轉(zhuǎn)換在寄生電感上引起的振蕩不會對驅(qū)動回路造成影響，SK端口可以有效降低器件源極寄生電感對驅(qū)動信號的干擾。從元件符號圖上還能看出，為了確保器件的漏極能夠承受650V及以上的電壓，HV GaN FET在柵漏間設(shè)計了更大的漂移區(qū)，為非對稱的功率器件。

3. 最大額定值

最大額定值規(guī)定了此款 GaN 場效應(yīng)管允許的工作范圍，當(dāng)器件工作在額定范圍外時，可能會降低預(yù)期壽命。下面以 CG65030TAD 的最大額定值表格為例說明。

3.1 瞬時耐壓VDS,transient

當(dāng)出現(xiàn)雷擊、設(shè)備啟?；蚬收系惹闆r時，GaN 器件的源漏之間會有概率地引入瞬時大電壓，其持續(xù)時間很短，往往在 ns 到μs量級，但對器件的沖擊很大，這種現(xiàn)象被稱之為浪涌。因此，為了確保器件能在浪涌等極端工況下安全工作，需要在最大額定電壓之上，再留出一定的裕量，對應(yīng)的最大電壓值被稱為 VDS,transient。

JEP186 中規(guī)定了該參數(shù)的兩類說明規(guī)范：1.非重復(fù)脈沖情況下的最大電壓值，需說明脈寬；2.重復(fù)脈沖情況下的最大電壓值，需說明脈沖數(shù)量及脈寬，或者經(jīng)歷的總脈沖時間。云鎵當(dāng)前基于第一類規(guī)范，規(guī)定了 GaN 器件在 <1μs 的非重復(fù)事件期間的浪涌額定值。測試電路請參考下圖。

3.2 安全工作區(qū)SOA與ID, ID,pulse

對于功率器件而言，安全工作區(qū) SOA (Safe Operating Area) 是個非常重要的概念，若使功率器件安全工作，就要確保其工作條件（電壓、電流、結(jié)溫等）處于安全工作區(qū)內(nèi)。SOA 的橫坐標(biāo)是電壓 VDS，縱坐標(biāo)是電流 IDS，其邊界由 RDS(on)、ID、ID,pulse、擊穿電壓等條件共同限制。

限制1：RDS(on)限制：

要理解 RDS(on)限制，就需要了解 RDS(on)與結(jié)溫的關(guān)系。GaN 場效應(yīng)管的結(jié)溫額定值 Tj,max=150oC，而 GaN 的導(dǎo)通電阻是正溫度系數(shù)的，當(dāng)器件結(jié)溫隨功率增加而上升，導(dǎo)通電阻也隨之增大。當(dāng)結(jié)溫達(dá)到最大額定值 150oC，其對應(yīng)的導(dǎo)通電阻也達(dá)到最大值，由此構(gòu)成了第一個限制條件：RDS(on)限制。該邊界具有恒定斜率，表明直線上的每個點都表示相同的阻值，對應(yīng)最大導(dǎo)通電阻。

限制2：封裝散熱限制：

兩條水平線表示電流極限，分別對應(yīng)于直流電流ID (Continuous current, drain-source)，以及脈沖電流 ID,pulse (Pulsed current, drain-source), 主要受結(jié)殼熱阻RthJC 的限制，即封裝的限制。而且，相較于直流電流，由于脈沖電流僅施加一定的時長，因此能夠承受更大的電流。直流電流 ID具體計算公式如下：

同理可以得到脈沖電流ID,pulse，其中瞬態(tài)熱阻ZthJC可在瞬態(tài)熱阻圖中讀到。

限制3：最大功率限制：

最大功率受到最大結(jié)溫的限制，該邊界上的每個點都表示相同的恒定功率。ID, ID,pulse與 VDS關(guān)系如下。需要注意的是，對于脈沖電流，SOA 只給出了單脈沖情況的限制條件，由于瞬態(tài)熱阻 ZthJC取決于脈沖長度及其占空比，當(dāng)使用周期脈沖時，其瞬態(tài)熱阻會根據(jù)占空比變化，具體數(shù)值可參考瞬態(tài)熱阻圖。

限制4：最大電壓限制：
GaN 場效應(yīng)管的工作電壓不能超過其額定的最大電壓。

3.3 VGS

云鎵的 VGS范圍并非 GaN FET 的柵極極限能力，而是確保器件完全開啟、長期工作可靠安全且 ESD 泄放電路未打開的電壓范圍。GaN 器件因為結(jié)電容小，ESD 防護(hù)能力較弱，故云鎵 GaN 產(chǎn)品芯片內(nèi)部單片集成了 ESD 泄放電路，能夠有效提升 GaN 器件 HBM/CDM 等級。云鎵 ESD 電路具有自主 IP，擁有正向和反向 ESD 泄放能力，同時滿足負(fù)壓關(guān)斷的應(yīng)用需求。正、反向皆具備 ESD 泄放通路，VGS 設(shè)計范圍為-7~7V。

3.4Ptot

Ptot為器件的最大功率，對應(yīng)器件結(jié)溫達(dá)到Tj,max時的功率。器件的結(jié)殼熱阻RthJC決定了最大功率隨結(jié)殼溫差變化的斜率，以CG65030TAD為例，下圖展示了其在不同殼溫下的最大功耗：

4.熱參數(shù)

4.1結(jié)殼熱阻

結(jié)殼熱阻包含靜態(tài)熱阻 RthJC與瞬態(tài)熱阻 ZthJC，分別定義了直流電流及脈沖電流下單位功耗引起的結(jié)殼溫差，是用來判定封裝散熱能力的參數(shù)，結(jié)殼熱阻越小，意味著器件散熱能力越好，器件工作產(chǎn)生的熱量可以更快地通過封裝傳導(dǎo)出去，相同規(guī)格芯片對應(yīng)的器件額定功率更大，可以更好發(fā)揮芯片潛力。結(jié)殼熱阻的公式如下：

云鎵針對工業(yè)應(yīng)用，使用了更適合大功率應(yīng)用場景的 TOLL (TO-Leadless)，將器件CG65030TAD 的直流結(jié)殼熱阻降低到了 0.3oC/W。此外另外一款設(shè)計的TOLT (頂部散熱）封裝器件 CG65030TBD，通過框架翻轉(zhuǎn)，將裸露的散熱金屬布局在器件頂部，能有效降低熱阻，進(jìn)一步提升熱性能，以及器件功率密度及效率。

相較于直流電流，由于脈沖電流僅施加一定的時長，瞬態(tài)熱阻較靜態(tài)熱阻會顯著減小，ZthJC取決于脈沖長度及其占空比，具體數(shù)值可參考瞬態(tài)熱阻圖。

5. 靜態(tài)參數(shù)

5.1閾值電壓VGS(TH)

VGS(TH)閾值電壓，即能使器件開啟的柵極電壓，一般采用常數(shù)電流法或最大跨導(dǎo)法來定量。測試方法如下：短接?xùn)艠O和漏極并灌入目標(biāo)電流，此時的柵源電壓差即為閾值電壓VGS(TH)。

5.2漏電流IDSS

IDSS為柵極和源極短路的情況下，在漏極與源極之間施加 650V 電壓時測得的漏電流，其具有正的溫度系數(shù)。

5.3柵電流IGSS

IGSS為器件正常工作時的柵極漏電。測試方法如下：短接器件的漏極和源極，在柵極上加 6V 電壓并測得對應(yīng)漏電流。在應(yīng)用中，柵漏電的影響主要體現(xiàn)在驅(qū)動電路損耗上，若數(shù)值過大還會使柵極電壓顯著低于驅(qū)動電壓，影響器件 drive margin。這里需要注意的是，因為 IGSS是正溫度系數(shù)的，其數(shù)值會隨器件發(fā)熱而明顯增加。

5.4柵極電阻RG

RG (Gate Resistance) 即器件的柵極電阻，是在柵極電壓改變時，引起柵極電流變化的電阻。在器件工作時，其與驅(qū)動電路中的開啟/關(guān)斷電阻串聯(lián)，決定器件的導(dǎo)通/關(guān)斷速度。更低的柵極電阻對應(yīng)更快的柵極電壓切換速度和更低的開關(guān)損耗，但柵極電阻也可以抑制在柵極回路上由于寄生電感和電容引起的振蕩。

5.5導(dǎo)通電阻RDS(ON)

GaN 器件導(dǎo)通電阻 RDS(on)主要由兩部分組成，第一部分是 GaN 器件的前段電阻RDS(on)(FE)，這部分電阻是由 GaN 器件的材料屬性決定，也是 GaN 器件導(dǎo)通電阻的主要來源。該前段電阻主要由 R2DEG(漂移區(qū)電阻)，R2DEG(Gate)（柵極下方溝道電阻），RC（源漏接觸電阻）構(gòu)成：

第二個部分是 GaN 器件的后段電阻 RDS(on)(FE)，這部分電阻是由互聯(lián)金屬層電阻及層間通孔電阻和封裝電阻組成，與 GaN 器件的互聯(lián)以及封裝設(shè)計有關(guān)。
溫度對 RDS(on)的影響主要表現(xiàn)在對 RDS(on)(FE)和 RDS(on)(BE)的影響，RDS(on)(FE)包括 R2DEG和 RC的溫度系數(shù)，RDS(on)(BE)主要包括Metal（Cu，Al等）的溫度系數(shù)。溫度對 GaN 器件的影響取決于以上各部分的貢獻(xiàn)，取決于器件的設(shè)計。 CG65030TAD 的導(dǎo)通電阻與結(jié)溫具體關(guān)系如下：

6. 動態(tài)參數(shù)

6.1Ciss,Coss和Crss

類似于 Si 基器件，GaN 器件的電容主要由 CGS、CGD和 CDS三部分極間電容組成。如左下圖所示，元胞內(nèi)的電容主要來自于電極-電極，電極-場板，以及垂直方向的bufer電容。此外，互聯(lián)金屬層上下或左右的交疊也會引入極間電容。輸入電容Ciss = CGS+ CGD，輸出電容 Coss = CDS+ CGD，反向傳輸電容 Crss = CGD。右下圖為 CG65030TAD 的 C-V 曲線，可以發(fā)現(xiàn) Coss, Crss隨電壓的變化并非連續(xù)的，而是在特定電壓出現(xiàn)明顯拐點，這對應(yīng)著溝道中 2DEG 被各級源場板“夾斷”。

6.2Qoss,Eoss

QOSS即 GaN 器件的輸出電荷，通過輸出電容對輸出電壓積分得到，其計算公式如下：

EOSS即輸出電容 COSS對應(yīng)產(chǎn)生的損耗。在硬開關(guān)應(yīng)用條件下，輸出電容 COSS產(chǎn)生的能量損耗 EOSS和功耗 POSS可通過以下公式計算：

6.3Co(er),Co(tr)

由于功率器件的 Coss是與 VDS相關(guān)的非線性曲線，對于評估開關(guān)速度以及開關(guān)損耗不夠直接。對于輸出電荷以及開關(guān)速度，電源工程師可以用等效的 Co(tr)進(jìn)行評估，

對于硬開關(guān)下 Coss引起的開關(guān)損耗，電源工程師可以用等效的 Co(er)進(jìn)行評估，

6.4開關(guān)參數(shù)

云鎵采用感性負(fù)載電路，來評估 GaN 的開關(guān)特性，并提取器件的開關(guān)過程參數(shù)。

td(on), 導(dǎo)通延遲時間，指從柵源電壓升高超過 VGS的 10%，到漏源電壓達(dá)到 VDS的 90% 的時間。

tr, 上升時間，漏源電壓從 VDS的 90% 降至 10% 的所需時間。

td (off), 關(guān)斷延遲時間，指從柵源電壓降至 VGS的 90%，到漏源電壓達(dá)到 VDS的 10% 的時間。

tf, 下降時間，漏源電壓從 VDS的 10% 升至 90% 的用時。

6.5QG,QGS,QGD和 Vplat

輸入電容 Ciss = CGS+ CGD，柵極電荷 QG即 Ciss充電電荷，我們可以從 GaN 器件的開關(guān)過程來提取柵極電荷 QG。CG65030TAD 的柵極電荷 QG vsVGS曲線及計算公式如下：

Region 1：VGS從 0 逐漸上升到 VGS(TH)，器件開始導(dǎo)通，然后持續(xù)上升直到VGS=Vplat，即米勒平臺電壓，對應(yīng)于使器件飽和電流達(dá)到設(shè)定工作電流的柵極電壓。此過程中 VDS保持不變，階段 1 對 Ciss充電。

Region 2：開關(guān)管漏極上的高壓開始下降，直到 VON=IL*RDS(on)，VGS保持不變，數(shù)值始終為 Vplat，階段 2 對米勒電容 Crss充電。

Region 3：VGS 從 Vplat 開始，持續(xù)上升，直到達(dá)到柵極驅(qū)動電壓 VGS,dr(對 GaN 器件來說，這個值一般是 6V)。此時 Von = IL* RDS(on) (VGS= VGS,dr)，不過VDS的降幅非常小，階段 3 主要對 Ciss充電。

這里的米勒平臺電壓與器件的負(fù)載電流相關(guān)，可以由器件的輸出特性曲線讀出，或者根據(jù)器件的跨導(dǎo)值估算出，即

6.6VSD,Qrr

GaN 器件是通過材料極化產(chǎn)生的溝道。無需形成 PN 結(jié)，沒有體二極管。其反向?qū)ǎǖ谌笙迣?dǎo)通）的基本原理是 VGS – VDS > VGS(TH)：

1）在零壓關(guān)斷場景下（VGS =0），當(dāng)VSD = VGS(TH)時，器件開始導(dǎo)通續(xù)流；

2）在負(fù)壓關(guān)斷場景下（VGS< 0），當(dāng)VSD = VGS(TH)+|VGS| 時，器件開始導(dǎo)通續(xù)流。

不同于 Si 器件，GaN 器件在反向?qū)ㄟ^程中沒有體二極管參與，所以反向恢復(fù)電荷Qrr=0，因此在高壓的橋式電路以及中低壓的同步整流電路中效率很高。