過去的四十年中，隨著功率MOSFET結(jié)構(gòu)，技術(shù)和電路拓?fù)涞膭?chuàng)新與不斷增長的電力需求保持同步，電源管理效率和成本穩(wěn)步提高。然而，在新的千年中，隨著硅功率MOSFET接近其理論極限，改進(jìn)速度已大大降低。同時(shí)，一種新材料氮化鎵（GaN）朝著理論性能極限的方向穩(wěn)步發(fā)展，該性能極限是老化的MOSFET的6000倍，是當(dāng)今市場上最好的GaN產(chǎn)品的300倍（圖） 1）。

圖1：一平方毫米器件的理論導(dǎo)通電阻與基于Si和GaN的功率器件的阻斷電壓能力之間的關(guān)系。第4代（紫色點(diǎn)）和第5代（綠色星號）說明了GaN當(dāng)前的最新性能。

起點(diǎn)

EPC的增強(qiáng)型氮化鎵（eGaN?）FET已有十（10）年的生產(chǎn)歷史，第五代器件的尺寸僅為第四代器件的一半，速度快兩倍，并且價(jià)格與MOSFET。基于GaN的功率晶體管和集成電路的早期成功最初源于GaN與硅相比的速度優(yōu)勢。GaN-on-Si晶體管的開關(guān)速度比MOSFET快10倍，比IGBT快100倍。

諸如4G / LTE基站的RF包絡(luò)跟蹤以及用于自動駕駛汽車，機(jī)器人，無人機(jī)和安全系統(tǒng)的光檢測和測距（激光雷達(dá)）系統(tǒng)等應(yīng)用是充分利用GaN高速交換能力的首批應(yīng)用。隨著這些早期應(yīng)用的成功，GaN功率器件的產(chǎn)量不斷增長，現(xiàn)在的價(jià)格與開關(guān)速度較慢且額定功率更大的MOSFET組件的價(jià)格相當(dāng)（圖2）。

圖2：與等效功率MOSFET相比，額定100 V的eGaN FET的分銷商定價(jià)調(diào)查結(jié)果。eGaN FET價(jià)格顯示在紅色橢圓形內(nèi)。

加速采用GaN功率器件

隨著價(jià)格競爭力的跨越，更傳統(tǒng)的大批量應(yīng)用已開始采用GaN解決方案。電源設(shè)計(jì)人員認(rèn)識到，eGaN FET可以為更高密度和更高效的48 V DC-DC電源做出重大貢獻(xiàn)，而高密度計(jì)算應(yīng)用則需要云計(jì)算，人工智能，機(jī)器學(xué)習(xí)和游戲應(yīng)用。

汽車公司還開始在輕度混合動力汽車中采用48 V配電總線配電拓?fù)洹＿@些汽車制造商的要求是針對48 V – 14 V雙向轉(zhuǎn)換器。它們還必須高效，可靠且具有成本效益。在接下來的兩到三年內(nèi)，將為其中幾種系統(tǒng)設(shè)計(jì)的eGaN FET將出現(xiàn)在汽車上。

超越分立功率器件

除了性能和成本提高外，GaN半導(dǎo)體技術(shù)影響功率轉(zhuǎn)換市場的最大機(jī)會還在于其將多個(gè)器件集成在單個(gè)襯底上的內(nèi)在能力。與標(biāo)準(zhǔn)硅IC技術(shù)相比，GaN技術(shù)使設(shè)計(jì)人員能夠以比僅使用硅技術(shù)更直接，更經(jīng)濟(jì)的方式在單個(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)單片電源系統(tǒng)。

使用硅基氮化鎵襯底制造的集成電路已經(jīng)生產(chǎn)了五年以上。從那時(shí)起，基于GaN的IC經(jīng)歷了集成的各個(gè)“階段”，從最初的純分立器件到單片半橋組件，再到包括其自己的單片集成驅(qū)動器的FET，最近又發(fā)展到完全單片功率級，包含功率FET，驅(qū)動器，電平轉(zhuǎn)換電路，邏輯和保護(hù)。

在2019年初，驅(qū)動器功能和單片半橋與電平轉(zhuǎn)換器，同步升壓電路，保護(hù)和輸入邏輯一起合并到單個(gè)GaN-on-Si襯底上，如圖3（a）和3（b）所示）。這個(gè)完整的功率級ePower?Stage可以以幾兆赫茲的頻率驅(qū)動，并由一個(gè)簡單的以地為參考的CMOS IC控制，并且只需添加幾個(gè)無源元件，就可以成為一個(gè)完整的DC-DC穩(wěn)壓器。圖4顯示了在48 VIN– 12 VOUT降壓轉(zhuǎn)換器中，該單片功率級在1 MHz和2.5 MHz時(shí)的效率。

圖3：（a）尺寸為3.9 mm x 2.6 mm的EPC2152單片ePower平臺的圖像，以及（b）等效電路圖

圖4：使用EPC2152單片ePower Stage IC在1 MHz和2.5 MHz頻率下，48 VIN– 12 VOUT降壓轉(zhuǎn)換器的效率與輸出電流的關(guān)系，與使用分立式GaN晶體管和半硅片的相同電路的性能相比橋驅(qū)動器IC。

ePower?Stage可替換至少三個(gè)分立組件；柵極驅(qū)動器加上兩個(gè)FET，使設(shè)計(jì)和制造更加容易。與圖5所示的分立實(shí)施方案相比，這種單片GaN IC節(jié)省了至少33％的印刷電路板空間。該器件使設(shè)計(jì)人員可以輕松利用GaN技術(shù)帶來的顯著性能改進(jìn)。集成的單片組件（例如ePower Stage）更易于設(shè)計(jì)，更易于布局，更易于組裝，節(jié)省了PCB上的空間并提高了效率。

圖5：48 V – 12 V降壓轉(zhuǎn)換器的功率級分立實(shí)施與單片ePower?Stage實(shí)施的比較。集成可在PCB上節(jié)省33％的空間。

GaN功率組件之旅仍在繼續(xù)…

上一部分中討論的單片功率級IC具有與基于硅MOSFET的多芯片DrMOS模塊相同的基本功能，但電壓更高，開關(guān)速度更高，成本更低且占地面積更小。但是，這僅僅是GaN-on-Si器件集成機(jī)會的開始。這些第一代功率級僅包括電容器，電阻器和橫向n溝道FET。很快，就可以將電流和溫度的額外檢測與參考，比較器和運(yùn)算放大器之類的電路模塊一起添加，以在單個(gè)芯片上構(gòu)建集成的控制器以及輸出級。還可以集成多級電源轉(zhuǎn)換拓?fù)?，從而可以用較低電壓的功率器件實(shí)現(xiàn)較高的輸入電壓。

最終，p通道器件也將基于目前正在開發(fā)的許多有希望的結(jié)構(gòu)之一進(jìn)行單片集成。一旦可以集成互補(bǔ)的n通道和p通道設(shè)備，CMOS電路將成為可能，從而實(shí)現(xiàn)更高效的驅(qū)動器和邏輯電路。

通過進(jìn)入30 MHz以上的極高頻率，無源組件的尺寸變得如此之小，以至于有可能將完整電源轉(zhuǎn)換器所需的所有組件集成在單個(gè)芯片上。從簡單的分立式GaN FET開始的旅程正在穩(wěn)步向完整的片上系統(tǒng)解決方案邁進(jìn)（圖6）。

圖6：eGaN技術(shù)從離散到完全集成的片上系統(tǒng)解決方案的歷史和計(jì)劃發(fā)展

編輯：hfy