被GaN扼杀的硅、分立功率器件

四十年来，随着功率 MOSFET 结构、技术和电路拓扑的创新与不断增长的电力需求保持同步，电源管理效率和成本稳步提高。然而，在新千年中，随着硅功率 MOSFET 接近其理论界限，改进速度已显着放缓。与此同时，一种新材料氮化镓 (GaN) 正朝着理论性能边界稳步前进，该边界比老化的硅 MOSFET 好 6000 倍，比当今市场上最好的 GaN 产品好 300 倍（图1）。

图 1：一平方毫米器件的理论导通电阻与基于 Si 和 GaN 的功率器件的阻断电压能力。第 4 代（紫色圆点）和第 5 代（绿星）说明了 GaN 的当前最先进性能。

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开始

EPC 的增强型氮化镓 ( eGaN®) FET已投产十 (10) 多年，第 5 代器件的尺寸是其第 4 代前代器件的一半，速度是其两倍，并且价格与MOSFET。GaN 基功率晶体管和集成电路的早期成功最初来自于 GaN 与硅相比的速度优势。GaN-on-Si 晶体管的开关速度比 MOSFET 快 10 倍，比 IGBT 快 100 倍。

应用，如 RF包络跟踪 用于4G / LTE基站和光检测和测距（雷达自主汽车，机器人，寄生虫，和安全系统）系统是所述第一体积的应用，以充分利用的氮化镓的高速开关的能力。随着这些早期应用的成功，GaN 功率器件的产量已经增长，现在价格与较慢的开关和更大的等效额定功率 MOSFET 组件相当（图 2）。

图 2：100 V 额定 eGaN FET 与等效额定功率 MOSFET 的经销商定价调查结果。eGaN FET 价格显示在红色椭圆内。

加速采用 GaN 功率器件

随着价格竞争力的这种交叉，更传统的大批量应用已经开始采用 GaN 解决方案。电源设计人员意识到，eGaN FET 可以 为云计算、人工智能、机器学习和游戏应用的高密度计算应用所需的更高功率密度和更高效的48 V DC-DC 电源做出重大贡献 。 

汽车 公司也开始在轻度混合动力汽车中采用 48 V 配电总线配电拓扑。这些汽车制造商的要求是双向的 48 V – 14 V 转换器。它们还必须高效、可靠且具有成本效益。设计到其中几个系统中的 eGaN FET 将在未来两到三年内出现在汽车上。

超越分立功率器件

除了性能和成本改进之外，GaN 半导体技术影响电源转换市场的最重要机会来自其将多个器件与单个衬底集成的内在能力。与标准硅 IC 技术相反，GaN 技术允许设计人员以比仅使用硅技术更直接和更具成本效益的方式在单个芯片上实现单片电源系统。

使用 GaN-on-Si 衬底制造的集成电路已经生产了五年多。从那时起，基于 GaN 的 IC 经历了不同的集成“阶段”，从最初的纯分立器件到单片半桥组件，再到包含自己的单片集成驱动器的功率 FET，以及最近的完全单片功率级包含功率 FET、驱动器、电平转换电路、逻辑和保护。

2019 年初，驱动器功能和单片半桥与电平转换器、同步升压电路、保护和输入逻辑一起合并到单个 GaN-on-Si 衬底上，如图 3(a) 和 3(b) 所示）。这个完整的功率级 ePower™ Stage可以以数兆赫兹的频率驱动，并由一个简单的接地参考 CMOS IC 控制，只需添加几个无源元件，它就可以成为一个完整的 DC-DC 稳压器。图 4 显示了该单片功率级在 1 MHz 和 2.5 MHz 时在 48 V IN – 12 V OUT降压转换器中的效率。

图 3：(a) 尺寸为 3.9 mm x 2.6 mm 的 EPC2152 单片 ePower Stage 的图像，以及 (b) 等效电路图

图 4：使用 EPC2152 单片 ePower Stage IC的 48 V IN – 12 V OUT降压转换器在 1 MHz 和 2.5 MHz 下的效率与输出电流的关系，与使用带有半硅的分立 GaN 晶体管的相同电路的性能进行比较-桥驱动IC。

ePower™ Stage 取代了至少三个分立元件；栅极驱动器加上两个 FET，使设计和制造更容易。与图 5 中所示的分立实施方案相比，这种单片 GaN IC 在印刷电路板上至少节省了 33% 的空间。该器件使设计人员可以轻松利用 GaN 技术带来的显着性能改进。集成单片组件（例如 ePower Stage）更易于设计、更易于布局、更易于组装、节省 PCB 上的空间并提高效率。

图 5：48 V – 12 V 降压转换器的功率级分立实施与单片 ePower™ 级实施的比较。集成可在 PCB 上节省 33% 的空间。

图 5：48 V – 12 V 降压转换器的功率级分立实施与单片 ePower™ 级实施的比较。集成可在 PCB 上节省 33% 的空间。

GaN 功率元件之旅仍在继续……

上一节中讨论的单片功率级 IC 执行与基于硅 MOSFET 的多芯片 DrMOS 模块相同的所有基本功能，但电压更高、开关速度更高、成本更低，占用空间更小。然而，这只是 GaN-on-Si 器件集成机会的开始 。这些第一代功率级仅包括电容器、电阻器和横向 n 沟道 FET。很快，可以添加额外的电流和温度感测以及参考、比较器和运算放大器等电路块，以在单个芯片上构建集成控制器和输出级。还可以集成多电平电源转换拓扑，从而使用较低电压的功率器件实现较高的输入电压。

最终，p 沟道器件也将基于目前正在开发的众多有希望的结构之一进行单片集成。一旦可以集成互补的 n 和 p 沟道器件，CMOS 电路将成为可能，从而实现更高效的驱动器和逻辑电路。

通过使用非常高的频率（30 MHz 以上），无源元件的尺寸变得非常小，以至于可以在单个芯片上集成全电源转换器所需的所有元件。从简单的分立式 GaN FET 开始的旅程正在稳步迈向完整的片上系统解决方案（图 6）。

图 6：eGaN 技术从离散到完全集成的片上系统解决方案的历史和计划演变

审核编辑：汤梓红