GaN行業(yè)新標(biāo)桿：比業(yè)界最佳Si MOSFET效率高2%，兼容所有驅(qū)動(dòng)器

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/吳子鵬）為了實(shí)現(xiàn)“雙碳”（“碳達(dá)峰”和“碳中和”）目標(biāo)，全球主要國家和地區(qū)在環(huán)保法規(guī)上持續(xù)收緊，給消費(fèi)、汽車、工業(yè)和能源等重點(diǎn)領(lǐng)域帶來了巨大的挑戰(zhàn)。為了滿足這些法規(guī)，電子電氣設(shè)備只能持續(xù)追求更高的系統(tǒng)效率，實(shí)現(xiàn)更高的功率密度。

“Cambridge GaN Devices（以下簡稱：CGD）致力于GaN晶體管和IC的設(shè)計(jì)、開發(fā)與商業(yè)化，以實(shí)現(xiàn)能效和緊湊性的突破性飛躍，我們的ICeGaN 650V H2系列（以下簡稱：H2系列）能夠幫助系統(tǒng)方案實(shí)現(xiàn)更高的效率，整體效率表現(xiàn)比基于業(yè)界最佳的Si MOSFET還要高2%。通過產(chǎn)品性能創(chuàng)新，幫助CGD的客戶應(yīng)對像美國能源效率認(rèn)證中DOE LevelVII級這樣的嚴(yán)苛認(rèn)證。”在PCIM Asia 2023上，CGD亞太區(qū)FAE經(jīng)理徐維利在接受記者采訪時(shí)講到。

CGD亞太區(qū)FAE經(jīng)理徐維利

多維度創(chuàng)新讓GaN器件更高效

GaN和SiC器件是PCIM Asia 2023的重頭戲，霸占了一眾展商展區(qū)的“C位”。原因很簡單，無論是消費(fèi)電子、工業(yè)電子、汽車電子，還是超大功率應(yīng)用、可再生能源等領(lǐng)域都將受益于第三代半導(dǎo)體器件的創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)自身的可持續(xù)發(fā)展。

市場熱潮推動(dòng)相關(guān)器件快速發(fā)展，作為CGD新一代GaN功率器件，H2系列進(jìn)一步突破GaN器件在效率、可靠性和易用性方面的極限。徐維利表示：“H2系列是一種增強(qiáng)型（eMode）硅基氮化鎵（GaN-on-Si）功率晶體管，為了讓器件在效率上能夠得到進(jìn)一步提升，器件內(nèi)采用了包括創(chuàng)新性全集成 NL³電路，集成米勒鉗位的先進(jìn)箝位結(jié)構(gòu)等創(chuàng)新設(shè)計(jì)。相較于業(yè)界最佳的Si MOSFET，其Q_G降低了10倍，Q_OSS降低了5倍，在350W SMPS（開關(guān)電源）應(yīng)用中，效率高達(dá)95%?！?br />
根據(jù)他的介紹，NL³電路是SMPS中的Standby線路，使得空載和輕負(fù)載功耗創(chuàng)新低。這是一個(gè)非常重要的創(chuàng)新，系統(tǒng)并非每時(shí)每刻都在滿負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)，在空載或者輕負(fù)載的情況下，經(jīng)過測試，NL³電路大約在4毫秒之后將系統(tǒng)中不必要的供電線路全部切斷，使得系統(tǒng)功耗進(jìn)入一個(gè)非常低的水平。據(jù)悉，CGD H1系列器件運(yùn)轉(zhuǎn)功耗大概為1.3mA，H2系列在空負(fù)載情況下能夠下降到100μA的水平。H2系列器件內(nèi)部電路也得到了優(yōu)化，能夠降低功耗的部分都采用更小電流去驅(qū)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)的結(jié)果是H2系列的運(yùn)轉(zhuǎn)功耗也僅為800μA。


H2系列降低功耗的手段還包括內(nèi)部集成電流檢測功能，無需單獨(dú)電流檢測電阻器。另外，由于器件可直接焊接到接地平面的大面積覆銅區(qū)域，可以幫助優(yōu)化散熱和EMI，有助于實(shí)現(xiàn)更高的系統(tǒng)功率密度。

H2系列器件，圖源：CGD

下圖是H2系列和目前行業(yè)領(lǐng)先GaN競品對比圖，在65 W-USB-PD QR反激和240 W-TCM PFC + LLC應(yīng)用中，H2系列有明顯的低功耗優(yōu)勢。

65 W-USB-PD QR反激應(yīng)用功耗對比，圖源：CGD

240 W-TCM PFC + LLC應(yīng)用功耗對比，圖源：CGD

消除隱患讓GaN器件更穩(wěn)健

與現(xiàn)有Si解決方案相比，GaN可以實(shí)現(xiàn)更高的效率和更小的尺寸。不過，無論是目前熱門的充電器適配器、其他消費(fèi)類SMPS，還是光伏能源和數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域，對于產(chǎn)品穩(wěn)健性都有著很高的要求。原因在于，標(biāo)準(zhǔn)的GaN器件只能承受幾百納秒的短路，需要?jiǎng)?chuàng)新設(shè)計(jì)克服這一點(diǎn)以實(shí)現(xiàn)更高的可靠性和穩(wěn)健性。而穩(wěn)健性恰恰是H2系列的優(yōu)勢。

徐維利指出，和H1系列一樣，H2系列也是基于ICeGaN柵極技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，提供超越多芯片、外部接口電路和其他單片集成驅(qū)動(dòng)器HEMT的可靠性。這種智能的柵極接口，幾乎消除了典型eMode GaN的弱點(diǎn)，過壓穩(wěn)健性顯著提高，可提供更高的噪聲抗擾閾值，實(shí)現(xiàn)dV/dt雜訊抑制和ESD保護(hù)。

相較于傳統(tǒng)P-GaN GATE HEMT和其他增強(qiáng)型GaN器件，ICeGaN柵極技術(shù)擁有諸多先進(jìn)的特性。比如，其閾值電壓Vth高達(dá)3V，提供高達(dá)20V的柵極電壓擴(kuò)展范圍。作為對比，傳統(tǒng)P-GaN GATE HEMT的Vth約為1.5V，柵極可承受最大電壓僅為7V。

因此，和業(yè)界目前最先進(jìn)的650 V eMode GaN相比，H2系列在所有溫度下的軟開關(guān)和硬開關(guān)中的穩(wěn)健性提高3倍，能夠承受的極限電壓達(dá)到72V。

H2系列和業(yè)界最先進(jìn)650 V eMode GaN耐壓對比，圖源：CGD

還有一點(diǎn)必須要提到的是，傳統(tǒng)P-GaN GATE HEMT需要負(fù)電壓才能夠安全可靠地關(guān)斷，H2系列則不需要。H2系列采用集成米勒鉗位的先進(jìn)箝位結(jié)構(gòu)，無需負(fù)柵極電壓，可實(shí)現(xiàn)真正的零電壓關(guān)斷，并提高動(dòng)態(tài)R_DS(ON) 性能。

徐維利解讀稱，傳統(tǒng)P-GaN GATE HEMT的Vth非常低，那么在導(dǎo)通或者關(guān)斷的時(shí)候，一個(gè)很小的干擾信號(hào)就可能導(dǎo)致誤導(dǎo)通或者誤關(guān)斷，在一些半橋拓?fù)渲羞@是非常危險(xiǎn)的，是用戶不愿意看到的情況。那么為了完全關(guān)斷，就需要負(fù)電壓去讓傳統(tǒng)P-GaN GATE HEMT在關(guān)斷時(shí)完全截止。由于ICeGaN中Vth更高，就可以監(jiān)測Gate電壓，當(dāng)這個(gè)電壓低于Vth時(shí)，就可以啟動(dòng)系統(tǒng)中的鉗位開關(guān)，將Gate和Sourse強(qiáng)制連接在一起，這種情況下V_GS就趨近于零。那么就可以保證Gate電壓低于Vth，使器件處于完全關(guān)斷的狀態(tài)。

ICeGaN柵極技術(shù)，圖源：CGD

“ICeGaN的零電壓關(guān)斷是一種更穩(wěn)健、更抗干擾的切換模式，可提供卓越的柵極可靠性。”他對此強(qiáng)調(diào)。

從用戶角度出發(fā)讓GaN器件更易用

當(dāng)用戶選擇使用GaN器件時(shí)，除了考慮到系統(tǒng)效率和器件穩(wěn)健性等問題以外，還需要考慮易用性的問題。在GaN器件面世之前，Si MOSFET憑借開關(guān)速度高，導(dǎo)通電阻低，不受熱失控影響等優(yōu)勢，成為很多應(yīng)用的首選。

GaN器件將功率應(yīng)用的性能推到了一個(gè)更高的水平，不過HEMT只是類似MOSFET，但電流不會(huì)流過整個(gè)襯底或緩沖層，而是流過一個(gè)二維的電子氣層。如果只是簡單地接入傳統(tǒng)Si MOSFET的驅(qū)動(dòng)器，很容易造成GaN器件的絕緣層、勢壘或其他結(jié)構(gòu)性部分被擊穿，導(dǎo)致GaN器件永久性損壞。因此，耗盡型 (dMode)、增強(qiáng)型 (eMode)、共源共柵型 (Cascode) 三種GaN器件都有各自的柵極驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)要求。

GaN器件的平面結(jié)構(gòu)，圖源：CGD

如果再讓用戶去針對性設(shè)計(jì)一套驅(qū)動(dòng)電路，無疑會(huì)造成很高的使用門檻，那么在穩(wěn)健性的前提下提供易用性便是GaN器件主要競爭優(yōu)勢之一。

“CGD在GaN器件方面的所有創(chuàng)新都能夠讓用戶直接享受‘know how’，而不是需要弄明白器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)條件是什么。這樣做的好處是，H2系列的驅(qū)動(dòng)方式和傳統(tǒng)Si MOSFET非常類似，采用當(dāng)下廣泛存在的工業(yè)柵極驅(qū)動(dòng)器就可以直接驅(qū)動(dòng)?！毙炀S利談到，“和其他增強(qiáng)型GaN器件不同，H2系列兼容任何Si MOSFET驅(qū)動(dòng)器。”

CGD能夠做到這一點(diǎn)，還是要?dú)w功于ICeGaN柵極技術(shù)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。如果柵極最大可承受電壓為標(biāo)準(zhǔn)的7V，那么驅(qū)動(dòng)電壓只能在5-7V之間，范圍非常窄，很難去匹配Si MOSFET驅(qū)動(dòng)器。并且，傳統(tǒng)P-GaN GATE HEMT完全關(guān)斷需要負(fù)電壓，需要做額外的線路設(shè)計(jì)來滿足。

ICeGaN H2 系列柵極技術(shù)集成智能柵極驅(qū)動(dòng)和電流檢測功能，圖源：CGD

ICeGaN柵極技術(shù)將智能柵極驅(qū)動(dòng)接口和電流檢測功能都集成在器件內(nèi)部，從器件外部來看，用戶得到一個(gè)從0-20V這樣寬泛的驅(qū)動(dòng)電壓范圍，然后正電壓去做鉗位，負(fù)電壓通過米勒鉗位除掉，這樣直接接入Si MOSFET驅(qū)動(dòng)器就可以使用了。

從應(yīng)用領(lǐng)域來看，H2系列器件能夠滿足圖騰柱和單開關(guān)PFC，準(zhǔn)諧振反激和有源鉗位反激，高頻LLC、PSFB DC/DC轉(zhuǎn)換器等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可應(yīng)用于充電器適配器，通用SMPS，PSU、工業(yè)SMPS和逆變器，高功率D類音頻產(chǎn)品，光伏逆變器等豐富的領(lǐng)域。徐維利指出，對于650V GaN器件而言，應(yīng)用拓展是循序漸進(jìn)的，從消費(fèi)電子到工業(yè)領(lǐng)域，再到伺服器電源和通信電源，對于器件的可靠性和安全性的要求越來越高。后續(xù)，CGD會(huì)逐漸將過流保護(hù)和過溫保護(hù)等保護(hù)功能集成到器件內(nèi)部，并開發(fā)出更多的封裝類型，保障產(chǎn)品的持續(xù)競爭力。

在PCIM Asia 2023上，CGD展出的方案和參考設(shè)計(jì)包括LLC半橋測試板、350W高功率密度參考設(shè)計(jì)、350W PFC評估板、1.6kWLLC模組、65WQFC評估板等。

LLC半橋測試板


350W PFC評估板


65WQFC評估板

小結(jié)

目前，GaN器件在消費(fèi)類快充市場已經(jīng)取得了很大的成功，根據(jù)市場調(diào)研機(jī)構(gòu)BCC Research的預(yù)測數(shù)據(jù)，預(yù)計(jì)到2025年全球GaN快充的市場規(guī)模將超過600億元。當(dāng)然，GaN器件的應(yīng)用不局限于快充，已經(jīng)逐步滲透到工業(yè)、可再生能源、通信電源和航天等領(lǐng)域。隨著市場挑戰(zhàn)逐步增大，對GaN器件的穩(wěn)健性、可靠性和易用性要求將越來越高，在這些方面，CGD的H2系列無疑已經(jīng)成為行業(yè)發(fā)展的新標(biāo)桿。


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