功率GaN落后于RF GaN的主要原因在于需求花时刻履行数个供货商所运用的本钱减缩战略。最闻名的便是改用6英寸的硅基板，以及更低本钱的塑料封装。关于电源规划人员来说，了解GaN有或许带来的功能提高，以及某些会随时刻影响到终究产品功能的退化机制很重要。
联合电子设备工程委员会 （JEDEC） 针对硅器材的认证规范经证明是产品运用寿数的很好猜测方针，不过现在还没有针对GaN的平等规范。要运用全新的技能来减轻危险，比较慎重的做法是看一看特定的用例，以及新技能在运用方面的环境约束，而且树立能够针对环境改变进行应力测验和监督的原型机。关于许多原型机的实时监督会提出一些有意思的应战，特别是在GaN器材电压挨近1000V，而且dv/dts大于200V/ns时更是如此。
一个常常用来确认功率FET是否能够满意方针运用要求的图表是安全作业区域 （SOA） 曲线。图1中显现了一个示例。
图1：GaN FET SOA曲线示例，此刻Rds-On =毫欧
硬开关规划
功率GaN FET被用在硬开关和数MHz的谐振规划中。上面展现的零电压 （ZVS） 或许零电流 （ZCS） 拓扑为数千瓦。SOA曲线的应力最大的区域是右上角的电压和电流最高的区域。在这个硬开关区域内运转一个功率GaN FET会导致由数个机制而形成的应力添加。最简略了解的便是热应力。例如，在运用一个电感开关测验电路时，有或许使器材从封闭时的电流简直为零、罗致电压为几百伏，切换到接通时的电流简直瞬时到达10A。
器材上的电压乘以流经的电流能够获得瞬时功率耗散，关于这个示例来说，在转化中期能够到达500W以上。关于尺度为5mm x 2mm的典型功率GaN器材，这个值能够到达每mm2 50W。所以用户也就无需对SOA曲线显现的这个区域只支撑短脉冲这一点而感到惊奇了。因为器材的热限值和封装的原因，SOA曲线的右上部被看成是一个脉宽的函数。因为曲线中所见的热时刻常数，更短的脉冲会导致更少的散热。增强型封装技能可被用来将结至环境的热阻从大约15°C/W减小到1.2°C/W。因为削减了器材散热，这一办法能够扩展SOA。
SOA曲线
TI有一个系列的规范占板面积的功率MOSFET、 DualCool？ 和NexFETs？。这些MOSFET经过它们封装顶部和底部散热，而且能够供给比传统占板面积封装高50%的电流。这使得规划人员能够活络地运用更高电流，而又无需添加终端设备尺度。与硅FET比较，GaN FET的一个巨大优势便是能够完成的极短开关时刻。此外，削减的%&&&&&%值和能够忽略不计的Qrr使得开关损耗低许多。在器材开关时，电压乘以电流所得值的整数部分是器材有必要耗费的功率。更低的损耗意味着更低的器材温度和更大的SOA。
SOA曲线所圈出的别的一个重要区域遭到Rds-On的约束。在这个区域内，器材上的电压便是流经器材的电流乘以导通电阻。在图1所示的SOA曲线示例中，Rds-On为100毫欧。硅MOSFET的温度取决于它们的Rds-On，这一点众所周知。在器材温度从25oC升高至大约100oC时，它们的Rds-On简直会加倍。
动态Rds-On
GaN FET具有一个杂乱的Rds-On，它是温度，以及电压和时刻的函数。GaN FET的Rds-On对电压和时刻的函数依赖性被称为动态Rds-On。为了猜测一个GaN器材针对方针运用的运转办法，很有必要监督这些动态Rds- On所带来的影响。与SOA曲线的温度引进应力相相似，电感硬开关应力电路比较适合于监督Rds-On。这是因为许多潜在的器材退化是与高频开关和电场相关的。
图2是一个简略开关电路，这个电路中给出了一种在SOA右上象限内完成循环电流，并对器材施加应力的办法。
图2：电感硬开关测验电路
宽带隙
GaN 是一种宽带隙资料，与硅资料的1.12eV的带隙比较，它的带隙到达3.4eV。这个宽带隙使得器材在被击穿前，能够支撑比相同巨细的硅器材高许多的电场。某些器材规划人员常用来协助确认器材可靠性的测验有高温反向偏置 （HTRB）、高温栅极偏置 （HTGB） 和经时电介质击穿 （TDDB）。这些都是静态测验，虽然在验证器材规划有效性方面是好办法，可是在高频开关动态效应占主导地位时，就不能代表典型运用状况。高温作业寿数 （HTOL） 是器材开关进程中的动态测验。特定的作业条件由制造商确认，可是这些作业条件一般处于某些标称频率、电压和电流下。
前期关于 GaN针对RF放大器的运用研讨发现了一个功能退化效应，此刻器材能够传送的最大电流被削减为漏极电压偏置的函数。这个随电压改变的（捕获引进）效应被称为“电流坍塌”。在缓冲器和顶层捕获的负电荷导致电流坍塌或动态Rds-On添加。在施加高压时，电荷可被捕获，而且在器材接通时或许无法当即散失。现已选用了几个器材规划技巧（电场板）来削减大多数活络GaN FET区域中的电场强度。电场板现已表现出能够最大极限地减小RF GaN FET和开关功率GaN FET中的这种影响。
GaN是一种压电资料。GaN器材规划人员经过添加一个晶格略微不匹配的AIGaN缓冲层来运用这个压电效应。这样做添加了器材的应力，然后导致由自发和压电效应引起的极化场。这个二维电子气 （2DEG） 通道便是这个极化场的产品。具有2DEG通道的器材被称为高电子搬迁晶体管 （HEMT）。不幸的是，在器材运转时，高外加电场也会导致有害的压电应力，然后导致别的一种方式的或许的器材退化。关于比如GaN的新技能来说，具有一个证明可靠性的归纳性办法很重要。如需了解与TI方案相关的进一步细节，请参阅Sandeep Bahl的白皮书，一个限制GaN产品的归纳办法。
为了降低本钱，功率GaN现在选用的是6英寸硅基板。因为硅和GaN晶格不匹配，会呈现线程脱位。这会导致晶格缺点，并添加捕获的或许性。这些捕获的影响取决于它们的数量和在器材中的方位。捕获状况，占有或非占有，也是施加的电场和时刻的一个函数。捕获充放电或许在最短100ns到最长数分钟的时刻规模散布。最挨近栅极区域的捕获充电和放电会调制器材的转导。所有这些效应是GaN FET的Rds-On的杂乱电压和时刻相关性的根底。在限制期间，工程师一般在延伸的期间内对器材施加DC应力，而且定时移除这一应力，以描绘单个半导体测验的状况。移除器材电压偏置，即便只要几秒钟的时刻，也能够完成某些捕获放电，这样的话，就不会影响到与实践运转相关的动态Rds-On值了。
总结
与硅FET比较，功率GaN FET具有许多优势，比如说更低的开关损耗和更高的频率切换才能。更高的开关频率可被用来添加体系的电源转化密度。要限制一个正在运用功率GaN FET的体系，规划人员应该了解或许的退化源，并随时监督它们在温度改变时的影响。一个监督动态Rds-ON添加的简略办法便是丈量时刻和电压改变进程中的转化进程的功率。为了更好地了解损耗呈现的方位，体系被规划成能够实时监督漏极、栅极、源极和器材电流波形。此体系能够经过它们的SOA，以1MHz以上的频率，在电压高达1000V和电流高达15A时，硬开关FET。
捕捉和剖析实时波形能够协助咱们更好地了解高频效应，比如说 dv/dt、栅极驱动器电感和电路板布局布线，这些在根据GaN的规划中都很要害。监督时刻和温度规模内趋势改变的实时信息能够为咱们供给更好的GaN FET退化信息，并使咱们关于愈加智能器材和控制器产品的需求有深化的了解。
