被GaN扼殺的硅、分立功率器件

四十年來，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，在新千年中，隨著硅功率 MOSFET 接近其理論界限，改進(jìn)速度已顯著放緩。與此同時，一種新材料氮化鎵 (GaN) 正朝著理論性能邊界穩(wěn)步前進(jìn)，該邊界比老化的硅 MOSFET 好 6000 倍，比當(dāng)今市場上最好的 GaN 產(chǎn)品好 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。第 4 代（紫色圓點）和第 5 代（綠星）說明了 GaN 的當(dāng)前最先進(jìn)性能。

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開始

EPC 的增強(qiáng)型氮化鎵 ( eGaN?) FET已投產(chǎn)十 (10) 多年，第 5 代器件的尺寸是其第 4 代前代器件的一半，速度是其兩倍，并且價格與MOSFET。GaN 基功率晶體管和集成電路的早期成功最初來自于 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。

應(yīng)用，如?RF包絡(luò)跟蹤?用于4G / LTE基站和光檢測和測距（雷達(dá)自主汽車，機(jī)器人，寄生蟲，和安全系統(tǒng)）系統(tǒng)是所述第一體積的應(yīng)用，以充分利用的氮化鎵的高速開關(guān)的能力。隨著這些早期應(yīng)用的成功，GaN 功率器件的產(chǎn)量已經(jīng)增長，現(xiàn)在價格與較慢的開關(guān)和更大的等效額定功率 MOSFET 組件相當(dāng)（圖 2）。

圖 2：100 V 額定 eGaN FET 與等效額定功率 MOSFET 的經(jīng)銷商定價調(diào)查結(jié)果。eGaN FET 價格顯示在紅色橢圓內(nèi)。

加速采用 GaN 功率器件

隨著價格競爭力的這種交叉，更傳統(tǒng)的大批量應(yīng)用已經(jīng)開始采用 GaN 解決方案。電源設(shè)計人員意識到，eGaN FET 可以?為云計算、人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)和游戲應(yīng)用的高密度計算應(yīng)用所需的更高功率密度和更高效的48 V DC-DC 電源做出重大貢獻(xiàn)?。?

汽車?公司也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雙向的 48 V – 14 V 轉(zhuǎn)換器。它們還必須高效、可靠且具有成本效益。設(shè)計到其中幾個系統(tǒng)中的 eGaN FET 將在未來兩到三年內(nèi)出現(xiàn)在汽車上。

超越分立功率器件

除了性能和成本改進(jìn)之外，GaN 半導(dǎo)體技術(shù)影響電源轉(zhuǎn)換市場的最重要機(jī)會來自其將多個器件與單個襯底集成的內(nèi)在能力。與標(biāo)準(zhǔn)硅 IC 技術(shù)相反，GaN 技術(shù)允許設(shè)計人員以比僅使用硅技術(shù)更直接和更具成本效益的方式在單個芯片上實現(xiàn)單片電源系統(tǒng)。

使用 GaN-on-Si 襯底制造的集成電路已經(jīng)生產(chǎn)了五年多。從那時起，基于 GaN 的 IC 經(jīng)歷了不同的集成“階段”，從最初的純分立器件到單片半橋組件，再到包含自己的單片集成驅(qū)動器的功率 FET，以及最近的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)。

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 GaN-on-Si 襯底上，如圖 3(a) 和 3(b) 所示）。這個完整的功率級?ePower? Stage可以以數(shù)兆赫茲的頻率驅(qū)動，并由一個簡單的接地參考 CMOS IC 控制，只需添加幾個無源元件，它就可以成為一個完整的 DC-DC 穩(wěn)壓器。圖 4 顯示了該單片功率級在 1 MHz 和 2.5 MHz 時在 48 V IN – 12 V OUT降壓轉(zhuǎn)換器中的效率。

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

圖 4：使用 EPC2152 單片 ePower Stage IC的 48 V IN – 12 V OUT降壓轉(zhuǎn)換器在 1 MHz 和 2.5 MHz 下的效率與輸出電流的關(guān)系，與使用帶有半硅的分立 GaN 晶體管的相同電路的性能進(jìn)行比較-橋驅(qū)動IC。

ePower? Stage 取代了至少三個分立元件；柵極驅(qū)動器加上兩個 FET，使設(shè)計和制造更容易。與圖 5 中所示的分立實施方案相比，這種單片 GaN IC 在印刷電路板上至少節(jié)省了 33% 的空間。該器件使設(shè)計人員可以輕松利用 GaN 技術(shù)帶來的顯著性能改進(jìn)。集成單片組件（例如 ePower Stage）更易于設(shè)計、更易于布局、更易于組裝、節(jié)省 PCB 上的空間并提高效率。

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

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

GaN 功率元件之旅仍在繼續(xù)……

上一節(jié)中討論的單片功率級 IC 執(zhí)行與基于硅 MOSFET 的多芯片 DrMOS 模塊相同的所有基本功能，但電壓更高、開關(guān)速度更高、成本更低，占用空間更小。然而，這只是?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，可以添加額外的電流和溫度感測以及參考、比較器和運算放大器等電路塊，以在單個芯片上構(gòu)建集成控制器和輸出級。還可以集成多電平電源轉(zhuǎn)換拓?fù)?，從而使用較低電壓的功率器件實現(xiàn)較高的輸入電壓。

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

通過使用非常高的頻率（30 MHz 以上），無源元件的尺寸變得非常小，以至于可以在單個芯片上集成全電源轉(zhuǎn)換器所需的所有元件。從簡單的分立式 GaN FET 開始的旅程正在穩(wěn)步邁向完整的片上系統(tǒng)解決方案（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劃演變

審核編輯：湯梓紅