【技术】GaN低压功率器件在不同差异下的最终产品实现大批量应用

氮化镓(GaN)低压功率器件自2010年开始实现商业可用性以来已经在许多领域有了新应用，其优越的半导体特性实现了诸如光探测及测距(LiDAR)，包络跟踪和无线功率等新型应用市场，基于GaN极快的开关速度，其新应用领域有助于开发强大的供应链、降低生产成本和达到优质的可靠性能。这些应用优势为更加保守的设计工程师提供了足够的开发动力，例如开始应用于DC-DC转换器、AC-DC转换器和汽车应用，并开始了评估和验证过程。

本文将介绍利用GaN低压功率器件在不同差异化水平的最终产品中实现大批量应用的一些实例。首先，GaN半导体技术是经过验证的技术，当EPC于2010年推出其首批商用产品时，就确定新型半导体技术成功取代传统硅功率MOSFET半导体的四个关键属性，第一个是“GaN技术能否实现重要的新应用？”今天的商用eGaN®FET和IC的性能比最先进的硅晶半导体的解决方案高5到50倍，这种性能的大幅提升实现几种新的应用，直到GaN技术的可用性真正实现。这些新应用包括用于自动驾驶汽车的LiDAR(光探测和测距)、增强游戏体验的现实增强技术、提高生产率的仓库自动化以及机载无人机。GaN半导体的一个鲜为人知的应用就是包络跟踪电源，它可应用于通过卫星、基站和手机语音和数据通信快速传输，RF功率放大器的能效可以提高一倍。使用eGaN FET和IC的无线电源系统通过在大的表面积发射无线电对电子设备进行充电，其中为包括手机、笔记本电脑、无线扬声器、智能手表、台灯等在内的各种设备供电，从而有助于消除电子设备的电源线。

图1  EPC公司开发的FET和IC产品阵容

GaN新技术需要的第二个属性才能满足应用要求：“它易于使用吗？”基于GaN半导体的电源转换系统可以提供比硅基替代品更高的转换效率、更高的功率密度和更低的整体系统成本。随着GaN继续渗透于应用设计，周围分立元器件采用GaN技术作为生态系统也继续增长，专门的元件提高了GaN系统的整体性能。如今这种生态系统不再是基于GaN设计的限制因素，设计人员可以选择快速增长的栅极驱动器、控制器和无源元件选项。还应该注意的是，销售GaN功率器件或互补支持组件的公司名单几乎每月都在增长，其中包括GaN Systems，Navitas Semiconductor，Texas Instruments，Panasonic和On Semiconductor等公司。

作为第三个属性，客户会询问新技术：“基于GaN技术是非常经济有效的设计吗？”，工程师可能会喜欢使用GaN代替功率MOSFET提高系统性能，除非新半导体技术具有成本竞争力.，而且成本更低，否则采购部门会产生阻力。 2015年5月，EPC最新的一代产品在具有一样电压和导通电阻的MOSFET上超越了价格曲线。这种变化有三个主要原因：1)GaN产量达到了规模展现经济效应的程度；2)GaN晶体管芯片尺寸比MOSFET小3到5倍; 3)EPC的eGaN晶体管以芯片级封装提供，消除了与之相关的封装成本，硅基MOSFET的封装成本会增加50％甚至更多。

图2  EPC9205 型号GaN功率模块封装图

第四个属性：“它的工作性能可靠吗？”GaN技术已经在多家制造商的GaN器件上进行了大量的可靠性测试，包括EPC、GaN系统、松下和Transphorm。已经证明GaN器件不仅可以通过最初为硅基功率MOSFET设计标准制定的JEDEC测试，而且Transphorm和Efficient Power Conversion的器件已经通过了更严格的汽车认证要求(AEC Q101)。此外，EPC的eGaN晶体管和采用芯片级封装的集成电路没有任何传统的MOSFET封装带来的可靠性故障机制。作为实际应用中可靠性的证据，EPC公司在过去四年中在客户应用程序中跟踪了超过300亿小时，仅有三个设备发生故障，这是硅功率MOSFET无法比拟的高品质记录！

图3  GaN技术实现LiDAR在汽车上实现

GaN技术增加主流应用，GaN技术已满足取代硅基解决方案的要求：支持新应用程序，这些新应用程序有助于开发强大的应用生态系统，降低生产成本，并创造了令人羡慕的可靠性记录。如何在批量应用中实施GaN技术呢？这里介绍的第一个传统应用就是向读者展示如何构建最小、最高效的48 V -12 V的 DC / DC转换器，适用于使用eGaN FET和IC的高性能计算和电信应用，GaN器件构成的转换器展示在48 V输入，12 V输出和10 A负载下工作时，配置为同步降压转换器的GaN基功率模块如何产生1400 W / in3的功率密度。该设计能够产生5 V至12 V的输出电压，每相输出电流可提供14 A电流，该解决方案非常适用于高密度计算应用，如多用户游戏系统、自动驾驶汽车、人工智能和加密货币挖掘。第二个介绍的应用，分析通常用于LiDAR系统的超快速高功率GaN基激光驱动器，这些LiDAR系统用于自动驾驶汽车、无人机和机器人以及家庭和工业安全系统等应用，这些应用需要高电流和窄脉冲来实现必要的距离判断，脉冲短至几纳秒甚至更短，GaN的极高性能和芯片级封装的超低电感使得eGaN FET和IC成为脉冲激光驱动器的理想开关。

图4  GaN器件应用于手术机器人

同时还在研究GaN技术如何通过对手术机器人进行精确控制来改变医学，机器人辅助手术用以提高手术的精确度，在许多情况下医生需要对患者进行微创手术，机器人手术涉及使用超可靠、高性能无刷(BLDC)类电机驱动系统来控制多个紧凑型的手术臂。这些手术控制系统需要具有高效率、最小振动和精确控制的马达，与同等的传统MOSFET解决方案相比，eGaN FET和IC在更小的解决方案中提供更高执行效率和精确的电机控制，是此类应用的理想选择。对于一种低成本、高效率的12 V-1 V负载点(POL)电源转换器设计，配置为同步降压转换器的基于GaN的功率模块如何能够产生1000 W / in3的功率密度，能够提供每相12 A的电流。

图5  EPC9204元件最大高度为1.2mm

最后展望GaN技术的发展方向，需要重点关注尽管GaN在短短几年内取得了许多进步，但它仍远未达到其理论性能的限制边界，仍然可以在基本器件性能方面取得重大进展。然而，GaN技术影响功率转换系统性能的最大因素来自于在同一基板上集成功率级和信号级器件的内在能力。随着时间的推移，硅上GaN的性能和成本优势将使得目前使用硅MOSFET的大多数应用转换为使用更小、更快、更便宜和更可靠的GaN技术。