【技术】GaN功率器件实现比Si器件更高的效率和更低损耗，助力功率转换市场的变革

时间： 2020-07-01 来源：EPC

技术问答

在过去的四十年中，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，电源效率和成本稳步提高。到如今，随着硅功率MOSFET接近其理论极限，改进速度已大大降低。同时，一种新材料氮化镓（GaN）朝着理论性能边界的方向稳步发展，该性能边界是传统MOSFET的6000倍，是当今市场上最好的GaN产品的300倍（图1）。

图1，一平方毫米器件的理论导通电阻与基于Si和GaN的功率器件的阻断电压能力之间的关系。第4代（紫色点）和第5代（绿色星号）说明了GaN当前的最新性能

EPC的增强型氮化镓FET（eGaN FET）的生产已经有10多年的历史了，第五代器件的尺寸是第四代的一半，速度是其两倍，并且价格与MOSFET相当。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10倍，比绝缘栅双极晶体管（IGBT）快100倍。

诸如4G / LTE基站的RF包络跟踪，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）系统等应用是充分利用GaN高速开关能力的首批应用。随着这些早期应用的成功，GaN功率器件的产量不断增长，现在的价格正好相当于较慢的开关速度和等效功率更大的功率MOSFET组件（图2）。

图2，与等效功率MOSFET相比，额定100V eGaN FET的分销商定价调查结果

加速采用GaN功率器件

随着价格竞争力的跨越，更传统的大批量应用行业已开始采用GaN解决方案。电源设计人员意识到，eGaN FET可以为更高密度和更高效的48 V DC-DC电源做出重大贡献，而高密度计算应用则需要云计算，人工智能，机器学习和游戏应用。

汽车公司还开始在轻度混合动力汽车中采用48 V配电总线配电拓扑。这些汽车制造商的要求是针对48 V – 14 V双向转换器。它们还必须高效，可靠且具有成本效益。在未来两到三年内，将在其中几种系统中设计的eGaN FET将出现在汽车上。

超越分立功率器件

此外，除了性能和成本提高外，GaN半导体技术影响功率转换市场的最大机会还在于其将多个器件集成到单个衬底中的固有能力。与标准的硅IC技术相比，GaN技术使设计人员能够以比仅使用硅技术更直接，更经济的方式在单个芯片上实现单片电源系统。

使用硅基氮化镓衬底制造的集成电路已经生产了五年以上。从那时起，基于GaN的IC经历了集成的各个阶段，从最初的纯分立器件到单片半桥组件，再到包括其自身单片集成驱动器的功率FET，再到最近的全单片功率级，包含功率FET，驱动器，电平转换电路，逻辑和保护。

在2019年初，EPC将驱动器功能和单片半桥与电平转换器，同步启动电路，保护和输入一起合并到单个GaN-on-Si衬底上，如图3（a）和3（b）所示（EPC2152）。这个完整的功率级ePower Stage可以以几兆赫兹的频率驱动，并可通过一个简单的以地为参考的CMOS IC进行控制，并只需添加几个无源元件就可成为一个完整的DC-DC稳压器。图4（EPC2152）是在48 V _IN —12 V _OUT降压转换器中该单片功率级在1 MHz和2.5 MHz时的效率。

图3，（a）为尺寸为3.9 mm x 2.6 mm的EPC2152单片ePower平台，（b）为等效电路图。

图4，与使用分立式GaN晶体管和硅半桥驱动器IC的相同电路的性能相比，使用EPC2152单片ePower Stage IC的48 VIN–12 VOUT降压转换器在1 MHz和2.5 MHz时的效率与输出电流的关系

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