基于GaN的功率晶体管和集成电路硅分立功率器件

过去的四十年中，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，在新的千年中，随着硅功率MOSFET接近其理论极限，改进速度已大大降低。同时，一种新材料氮化镓（GaN）朝着理论性能极限的方向稳步发展，该性能极限是老化的MOSFET的6000倍，是当今市场上最好的GaN产品的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之间的关系。第4代（紫色点）和第5代（绿色星号）说明了GaN当前的最新性能。

起点

EPC的增强型氮化镓（eGaN®）FET已有十（10）年的生产历史，第五代器件的尺寸仅为第四代器件的一半，速度快两倍，并且价格与MOSFET。基于GaN的功率晶体管和集成电路的早期成功最初源于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。

诸如  4G / LTE基站的RF包络跟踪以及用于自动驾驶汽车，机器人，无人机和安全系统的光检测和测距（激光雷达）系统等应用是充分利用GaN高速交换能力的首批应用。随着这些早期应用的成功，GaN功率器件的产量不断增长，现在的价格与开关速度较慢且额定功率更大的MOSFET组件的价格相当（图2）。

图2：与等效功率MOSFET相比，额定100 V的eGaN FET的分销商定价调查结果。eGaN FET价格显示在红色椭圆形内。

加速采用GaN功率器件

随着价格竞争力的跨越，更传统的大批量应用已开始采用GaN解决方案。电源设计人员认识到，eGaN FET可以为更高密度和更高效的48 V DC-DC电源做出重大贡献，而  高密度计算应用则需要云计算，人工智能，机器学习和游戏应用。 

汽车 公司还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针对48 V – 14 V双向转换器。它们还必须高效，可靠且具有成本效益。在接下来的两到三年内，将为其中几种系统设计的eGaN FET将出现在汽车上。

超越分立功率器件

除了性能和成本提高外，GaN半导体技术影响功率转换市场的最大机会还在于其将多个器件集成在单个衬底上的内在能力。与标准硅IC技术相比，GaN技术使设计人员能够以比仅使用硅技术更直接，更经济的方式在单个芯片上实现单片电源系统。

使用硅基氮化镓衬底制造的集成电路已经生产了五年以上。从那时起，基于GaN的IC经历了集成的各个“阶段”，从最初的纯分立器件到单片半桥组件，再到包括其自己的单片集成驱动器的FET，最近又发展到完全单片功率级，包含功率FET，驱动器，电平转换电路，逻辑和保护。

在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可以以几兆赫兹的频率驱动，并由一个简单的以地为参考的CMOS IC控制，并且只需添加几个无源元件，就可以成为一个完整的DC-DC稳压器。图4显示了在48 V IN – 12 V OUT降压转换器中，该单片功率级在1 MHz和2.5 MHz时的效率。

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

图4：使用EPC2152单片ePower Stage IC在1 MHz和2.5 MHz频率下，48 V IN – 12 V OUT降压转换器的效率与输出电流的关系，与使用分立式GaN晶体管和半硅片的相同电路的性能相比桥驱动器IC。

ePower™Stage可替换至少三个分立组件；栅极驱动器加上两个FET，使设计和制造更加容易。与图5所示的分立实施方案相比，这种单片GaN IC节省了至少33％的印刷电路板空间。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。集成的单片组件（例如ePower Stage）更易于设计，更易于布局，更易于组装，节省了PCB上的空间并提高了效率。

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

GaN功率组件之旅仍在继续…

上一部分中讨论的单片功率级IC具有与基于硅MOSFET的多芯片DrMOS模块相同的基本功能，但电压更高，开关速度更高，成本更低且占地面积更小。但是，这仅仅是 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，就可以将电流和温度的额外检测与参考，比较器和运算放大器之类的电路模块一起添加，以在单个芯片上构建集成的控制器以及输出级。还可以集成多级电源转换拓扑，从而可以用较低电压的功率器件实现较高的输入电压。

最终，p通道器件也将基于目前正在开发的许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通道和p通道设备，CMOS电路将成为可能，从而实现更高效的驱动器和逻辑电路。

通过进入30 MHz以上的极高频率，无源组件的尺寸变得如此之小，以至于有可能将完整电源转换器所需的所有组件集成在单个芯片上。从简单的分立式GaN FET开始的旅程正在稳步向完整的片上系统解决方案迈进（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发展

编辑：hfy