被GaN扼殺的硅、分立功率器件

四十年來，隨著功率 MOSFET 結構、技術和電路拓撲的創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步前進，該邊界比老化的硅 MOSFET 好 6000 倍，比當今市場上最好的 GaN 產品好 300 倍（圖1）。

圖 1：一平方毫米器件的理論導通電阻與基于 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 的當前最先進性能。

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開始

EPC 的增強型氮化鎵 ( eGaN?) FET已投產十 (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 與硅相比的速度優勢。GaN-on-Si 晶體管的開關速度比 MOSFET 快 10 倍，比 IGBT 快 100 倍。

應用，如?RF包絡跟蹤?用于4G / LTE基站和光檢測和測距（雷達自主汽車，機器人，寄生蟲，和安全系統）系統是所述第一體積的應用，以充分利用的氮化鎵的高速開關的能力。隨著這些早期應用的成功，GaN 功率器件的產量已經增長，現在價格與較慢的開關和更大的等效額定功率 MOSFET 組件相當（圖 2）。

圖 2：100 V 額定 eGaN FET 與等效額定功率 MOSFET 的經銷商定價調查結果。eGaN FET 價格顯示在紅色橢圓內。

加速采用 GaN 功率器件

隨著價格競爭力的這種交叉，更傳統的大批量應用已經開始采用 GaN 解決方案。電源設計人員意識到，eGaN FET 可以?為云計算、人工智能、機器學習和游戲應用的高密度計算應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?。?

汽車?公司也開始在輕度混合動力汽車中采用 48 V 配電總線配電拓撲。這些汽車制造商的要求是雙向的 48 V – 14 V 轉換器。它們還必須高效、可靠且具有成本效益。設計到其中幾個系統中的 eGaN FET 將在未來兩到三年內出現在汽車上。

超越分立功率器件

除了性能和成本改進之外，GaN 半導體技術影響電源轉換市場的最重要機會來自其將多個器件與單個襯底集成的內在能力。與標準硅 IC 技術相反，GaN 技術允許設計人員以比僅使用硅技術更直接和更具成本效益的方式在單個芯片上實現單片電源系統。

使用 GaN-on-Si 襯底制造的集成電路已經生產了五年多。從那時起，基于 GaN 的 IC 經歷了不同的集成“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動器的功率 FET，以及最近的完全單片功率級包含功率 FET、驅動器、電平轉換電路、邏輯和保護。

2019 年初，驅動器功能和單片半橋與電平轉換器、同步升壓電路、保護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可以以數兆赫茲的頻率驅動，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降壓轉換器在 1 MHz 和 2.5 MHz 下的效率與輸出電流的關系，與使用帶有半硅的分立 GaN 晶體管的相同電路的性能進行比較-橋驅動IC。

ePower? Stage 取代了至少三個分立元件；柵極驅動器加上兩個 FET，使設計和制造更容易。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省了 33% 的空間。該器件使設計人員可以輕松利用 GaN 技術帶來的顯著性能改進。集成單片組件（例如 ePower Stage）更易于設計、更易于布局、更易于組裝、節省 PCB 上的空間并提高效率。

圖 5：48 V – 12 V 降壓轉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 上節省 33% 的空間。

圖 5：48 V – 12 V 降壓轉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 上節省 33% 的空間。

GaN 功率元件之旅仍在繼續……

上一節中討論的單片功率級 IC 執行與基于硅 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，以在單個芯片上構建集成控制器和輸出級。還可以集成多電平電源轉換拓撲，從而使用較低電壓的功率器件實現較高的輸入電壓。

最終，p 溝道器件也將基于目前正在開發的眾多有希望的結構之一進行單片集成。一旦可以集成互補的 n 和 p 溝道器件，CMOS 電路將成為可能，從而實現更高效的驅動器和邏輯電路。

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 開始的旅程正在穩步邁向完整的片上系統解決方案（圖 6）。

圖 6：eGaN 技術從離散到完全集成的片上系統解決方案的歷史和計劃演變

審核編輯：湯梓紅