集成汽车 GaN 功率器件

意法半导体 在PCIM Europe 虚拟会议上首次向业界展示了该公司用于汽车应用的集成式 STi 2 GaN系列 GaN 功率器件 。利用台积电的 GaN 技术及其自身独特的设计和封装专业知识，包括 100-V 和 650-V 单片芯片和 100-V ASSP 在内的新型 GaN 器件声称具有更低的寄生电感、出色的散热能力、快速开关和高在紧凑的封装中进行频率操作，以节省空间和成本。

“STi 2 GaN 解决方案构建了从单片功率级到驱动器一直到控制逻辑集成的多重产品，并使用创新的无键合线封装来提供高稳健性和可靠性”，Rodrigo Marquina 说, ST 的高级技术营销工程师，在 PCIM 演讲中：“智能电力电子的新浪潮”。

“台积电提供 GaN 技术，包括 100-V 和 650-V e-Mode GaN，并且由于它基于 p-GaN 栅极结构，因此器件通常处于关闭状态，这对于汽车应用非常重要”，Marquina 说. “ST 正在提供具有自己设计规则的专用独特设计。对于 100V 器件，我们更进一步，在系统级封装方法中，我们将逻辑与我们最新的基于硅的技术 BCD9 技术集成在一起。这提供了更简单的 GaN 电源栅极电压驱动器，同时实现了高速逻辑控制。”

图片：意法半导体的介绍

Marquina 解释说，新系列解决了三个不同的“模块”：功率级、功率级和设备保护的驱动器以及逻辑控制。这些器件可用作具有驱动器和保护功能的单片 GaN 功率级，或作为集成了单片 GaN 功率级、驱动器（GaN 或硅）和硅控制器的系统级封装器件。

图片：意法半导体

集成的 GaN 功率器件还具有紧凑的尺寸。“一旦一切都集成在一起，我们就会降低寄生电感并提高稳健性，从而提高可靠性，”Marquina 说。

这与集成设备的高性能属性相结合。“我们继承了 GaN 开关能力的高频操作，”他说。“与此同时，我们降低了 EMI，并且由于采用了 LISI 等无键合线封装，我们极大地改善了散热。”

微调的投资组合

STi 2 GaN 产品组合提供从带有驱动器的单片功率级一直到控制逻辑集成的解决方案，它结合了台积电的 GaN 技术和 ST 的硅基 BCD 技术以及新颖的无键合线封装。

该系列分为 100-V 和 650-V 应用。在 100V 领域，首批器件面向 48V/12V DC/DC 转换器和 LiDAR 应用。这些设备是使用系统级封装方法开发的，这意味着功率级使用 GaN 技术，而所有集成控制和保护都在硅中。

“更具体地说，关于第一个应用——双向 48V/12V DC/DC 转换器——它是一个单片 GaN 半桥，高侧 [HS] 为 2 mΩ，低侧 [LS] 为 1 mΩ，具有硅驱动器和控制器，”Marquina 说。

“这种集成允许高达 1 MHz 的开关速度，如果我们采用更典型的 PWM 或 500 kHz，我们的目标效率为 98%，这种方法适用于解决集中式和分布式电源架构，”他补充道. “在这两种情况下（集中式或分布式），我们每个设备的每相功率都达到 900 W，系统效率高达 98%，开关频率高达 1 MHz。”

Marquina 还补充说，LiDAR 应用需要在很短的时间内提供高密度的功率脉冲。为了满足这一应用，ST 正在开发单通道激光驱动器和四通道激光驱动器，这些设备中的每一个都将能够在仅 400 皮秒的上升时间内提供 50-A 脉冲。

ST 还在开发 100-V 技术的衍生产品，这是一种具有驱动器和保护功能的全桥单片 GaN 器件。

100V 器件采用小而薄的 2SPAK 封装，由于散热板具有散热功能，因此可提供极好的热性能。
100V ASSP 的第一个工程样品可用于开始评估。ST 预计到 2023 年第四季度将获得合格样品。

STMicroelectronics 的 STi2GaN 650-V GaN 功率器件（来源：STMicroelectronics）

650-V 系列的第一批成员被细分为用于 OBC 和辅助电源应用的器件。Marquina 表示，低欧姆 OBC 器件是具有集成驱动器和保护电路的 30-mΩ 和 65-mΩ 全单片低侧 HEMT，因此不仅功率级而且它们的控制都使用 GaN 技术。

“通过不使用硅，我们可以将开关频率提高到 2 MHz，不仅如此，我们还能够对 dV/dt 进行编程，它包括短路和热保护，”他说。

ST 为这些 LS HEMT 选择了 LISI slug-up 封装，它“极大地减少了寄生影响，提供了出色的热性能的双面冷却，以及焊盘定位和通孔数量的灵活性，”Marquina 说。它还紧凑而薄，尺寸为 6 × 5 × 0.8 mm。

第一批高欧姆器件的起始电阻为 190 mΩ，最高可达 500 mΩ。这些也是单片 LS HEMT，但它们集成了 PWM 控制器以及驱动器和保护电路。Marquina 说：“我们仍然有可编程的开启 dV/dt，还包括可变 PWM 占空比，当然还有待机电流非常低的优势”。

可提供 650V 器件的首批工程样品。合格的样品预计在 2023 年底。

STMicroelectronics 的 STi2GaN 100-V 器件（来源：STMicroelectronics）

杂散电感：分立与集成解决方案

GaN 的一个关键优势是其非常高的开关能力，但快速开关会带来杂散电感问题。Marquina 表示，集成解决方案在解决杂散电感问题方面具有优势，同时通过减少外部组件的尺寸和数量可节省高达 40% 的空间。

看看分立式 GaN 解决方案，有几种类型的杂散电感需要解决。“我们需要注意栅极驱动环路杂散电感，这会增加误导的可能性，当然还会带来额外的栅极应力，”Marquina 说。

“我们需要注意的次级电感是那些与功率回路相关的电感，”他补充道。“电源回路中的杂散电感可能会导致更高的电压尖峰，从而给您的设备增加更多压力。”

Marquina 还指出，为了减少这些杂散电感的影响，需要一个栅极倾倒电阻和一个布局优化的多层 PCB，这会转化为额外的资源、时间和成本。

分立 GaN（左）与集成 GaN（右）解决方案（来源：意法半导体）

Marquina 说，看看栅极驱动环路，集成 STi2GaN 解决方案，它“大大减少了栅极源电压振铃”。“通过降低栅极结构上的应力，我们提高了可靠性。我们还降低了驱动器输出的阻尼电阻，这可以实现更快的切换，并在默认情况下降低切换损耗。”

关于电源回路中的杂散电感，STi 2 GaN 解决方案“还大大降低了漏源电压尖峰，因此，它降低了开关损耗、EMI 和漏源电压应力。”

但这不仅仅是关于杂散电感，Marquina 说。“大小事项。PCB 尺寸成本、无源元件数量以及系统在 OEM 结构中所占的体积都很重要，成本有时难以量化。”

Marquina以 48V/12V DC/DC 转换器 STi 2 GaN 解决方案与类似的分立硅解决方案为例，表示集成的 STi 2 GaN“大大减少了外部组件的数量”。这包括 48V 或 12V 侧的净电容器的数量和大小以及功率级和保护所需的设备。他说，这可以将应用程序的大小减少大约 40%。

作为总结，Marquina 指出 STi2GaN 提供快速开关，同时减少杂散电感，集成解决方案简化了系统实施，减少了空间限制，并提高了整体效率。

审核编辑 黄昊宇