氮化镓器件逐步替代旧有硅基MOSFET，性能极限高出6000倍

时间： 2020-11-07 来源：EPC

技术问答

就像生活不得不面对现实，老年人离开舞台让位给年轻人，硅器件也需要向现实低头。随着氮化镓器件的问世和普及，旧有可靠的硅器件正逐步被淘汰。在过去的四十年中，随着功率MOSFET器件的结构、技术和电路拓扑的创新与不断增长的电力需求同步发展，电源管理的效率和成本一直以来得以稳步改善。但是，在业界发展的新时代，随着硅功率MOSFET器件接近其理论极限，其演进速度下降了很多。同时，新材料氮化镓的理论性能极限稳步发展，其性能极限比老化的MOSFET器件高出6000倍，并且比目前市场上最好的氮化镓产品高出300倍。

图1为1mm²基于硅和氮化镓晶体管理论导通电阻与阻断电压能力之间的关系。

图1 1mm²基于硅和氮化镓晶体管理论导通电阻与阻断电压能力之间的关系

EPC增强型氮化镓场效应晶体管（eGaN FET）已经研发并生产长达10年之久，第五代产品的尺寸是第四代产品的一半，速度是第四代产品的两倍，而且价格接近现有的硅基MOSFET。基于氮化镓的功率晶体管和集成电路的成功研发，最初是源于氮化镓与硅相比具有较大的速度优势。氮化镓-硅复合晶体管的开关速度比现有的硅基MOSFET快10倍，比绝缘栅双极晶体管（IGBT）快100倍。

充分利用氮化镓的高速交换能力的首批应用是用于4G / LTE基站的RF包络跟踪以及用于自动驾驶汽车、机器人、无人机和安全系统中的光检测和测距（激光）系统。随着这些早期应用的成功，氮化镓功率器件的产量不断增长，然而其现在的价格等同于速度较慢、额定功率更大的MOSFET组件。图2为额定功率为100 V的增强型氮化镓eGaN FET与等效功率的MOSFET分销商定价调查结果。

图2 额定功率为100V的增强型氮化镓eGaN FET与等效功率的MOSFET分销商定价调查结果

氮化镓功率器件的快速发展

随着价格竞争力实现跨越，一些传统的应用已开始大批量采用氮化镓解决方案。设计人员们认识到，增强型氮化镓场效应晶体管可以为云计算、人工智能、机器学习和游戏应用等高密度计算应用中所需的更高功率密度和更高效的48V DC-DC电源做出重大贡献。汽车公司也开始在轻度混合动力汽车中采用48 V配电总线电源和配电拓扑。这些汽车制造商的需求是针对48V–14V双向转换器，同时还必须兼顾高效、可靠且具有成本效益。在未来两到三年内，预计有几种系统中设计的增强型氮化镓场效应晶体管将出现在汽车上。

超越独立式功率器件

除了性能和成本提高以外，氮化镓半导体技术对市场影响的最大机会还在于其拥有将多个器件集成到单个衬底中的能力。与标准硅IC技术相比，氮化镓技术使设计人员能够实现比单单使用硅技术更直接、更经济地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有五年以上的历程。从那时起，基于氮化镓的IC技术经历了集成的各个阶段：单纯独立器件到单片半桥组件，再到包括其单片集成驱动器的功率FET，到最近的功率FET、驱动器、电平转换电路、逻辑和保护。

在2019年初，已经实现了驱动器功能和单片半桥与电平转换器、同步启动电路、保护和输入逻辑等部分一起合并到单个氮化镓-硅衬底上（如图3所示）。这个完整的功率级、超功率级的器件，可以在多兆赫频率下驱动，并由一个简单的地面参考互补金属氧化物（CMOS）的IC系统控制，只需添加一些无源组件，就可以成为一个完整的DC-DC稳压器。图4显示了48V输入 — 12V输出降压转换器中该单片功率级在1MHz和2.5MHz时的效率。

图3 （a）尺寸为3.9mm x 2.6mm的EPC2152单片超功率平台图像（b）EPC2152的等效电路图

图4 48V输入 — 12V输出降压转换器中EPC2152在1MHz和2.5MHz时的效率与输出电流的关系

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