GaN使硅变得容易

就像生活中的现实一样，当老年人离开年轻人的舞台时，Silicon 正在鞠躬。氮化镓 (GaN) 的出现和采用已成功地逐步淘汰了旧的可靠硅。四十多年来，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，改进的速度显着放缓。同时，新材料 GaN 正稳步朝着理论性能边界迈进，该边界比老化的硅 MOSFET 好 6,000 倍，比当今市场上最好的 GaN 产品好 300 倍（图 1）。

图 1. 1 平方毫米器件的理论导通电阻与 Si 和 GaN 基功率器件的阻断电压能力。第 4 代（紫色圆点）和第 5 代（绿色星号）展示了 GaN 当前最先进的性能。

开始

EPC 的增强型氮化镓 (eGaN) FET 已投入生产十 (10) 多年，第五代器件的尺寸是其第四代前代器件的一半，速度是其两倍，并且价格相当与 MOSFET。GaN 基功率晶体管和集成电路的早期成功最初来自 GaN 与硅相比的速度优势。GaN-on-Si 晶体管的开关速度比 MOSFET 快十 (10) 倍，比绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 快 100 倍。

充分利用 GaN 高速开关能力的首批批量应用是用于 4G/LTE 基站的射频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。随着这些早期应用的成功，GaN 功率器件的产量已经增长，现在的价格与更慢的开关和更大的等效额定功率 MOSFET 组件相当。

（图 2）。100 V 额定 eGaN FET 与等效额定功率 MOSFET 的分销商定价调查结果。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 配电总线电源、配电拓扑。这些汽车制造商的要求是双向 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 半导体技术影响功率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 技术相比，GaN 技术允许设计人员在单个芯片上实现单片电源系统，比仅使用硅技术更简单、更具成本效益。

使用 GaN-on-Si 衬底制造的集成电路已投入生产超过五年。从那时起，基于 GaN 的 IC 经历了不同的集成阶段。从纯分立器件到单片半桥组件，再到包含其单片集成驱动器的功率 FET，以及最近，到包含功率 FET、驱动器、电平转换电路、逻辑和保护。

在2019 年初，驱动功能和单片半桥与电平转换器、同步启动电路、保护和输入逻辑合并到单个 GaN-on-Si 衬底上，如图 3(a) 和 3(b) 所示）。这个完整的功率级，即 ePower 级，可以在数兆赫频率下驱动，并由一个简单的以地为参考的 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 48 VIN — 12 VOUT 降压转换器中的 1 MHz 和 2.5 MHz 效率。

图 3. (a) 尺寸为 3.9 mm x 2.6 mm 的 EPC2152 单片 ePower 级图像，和 (b) 等效电路图。

图 4. 使用 EPC2152 单片 ePower 级 IC 的 48 VIN – 12 VOUT 降压转换器在 1 MHz 和 2.5 MHz 下的效率与输出电流与使用分立 GaN 晶体管和硅半桥驱动器的相同电路的性能比较我知道了。

　　审核编辑：汤梓红