【经验】可替代硅基功率MOSFET器件在交流-直流及直流-直流功率转换应用的增强型氮化镓场效应晶体

时间： 2018-11-25 来源：EPC

技术问答

氮化镓集生长在硅晶体上并转化为增强型氮化镓场效应晶体管(eGaN FET)可推动全新、让人惊讶的终端应用如无线电源传送、光学遥感技术(LiDAR)及包络网踪应用。此外，由于氮化镓场效应晶体管在性能方面取得重大增益，因此可以在目前大部分的应用替代硅基功率MOSFET器件包括交流-直流及直流-直流功率转换应用，并将取得这些旧有器件目前的120亿美元市场份额。

氮化镓技术的发展进程还是刚刚开展，由于该技术远远未达到它理论上的性能极限，因此可合理地预期它可以根据像摩尔定律般改进。摩尔定律预测微处理器技术的发展将最少在未来十年内于产品性能方面可在每两年至四年之间倍增。

图一：我们预测氮化镓场效应晶体管的性能可于每两年之倍增，因此可用是小型外形实现更高性能

除了性能及成本得以改善外，氮化镓技术最大的机遇是它的固有特性可集成多个器件于相同的衬底上，从而对功率转换市场的影响深远。与常用的硅集成电路技术相反，氮化镓技术将来可让设计师更直接地及以低成本在单一晶片上实现单片式功率系统。目前在功率转换应用最常用的基本拓扑是半桥拓扑，它因此成为实现功率系统晶片(SoC)的起点。

图二展示EPC第一个可作商业用途的增强型单片式半桥氮化镓晶体管(EPC2100)，其额定电压为30V。上面的场效应晶体管（Q1）的导通电阻(R_D_S（on）)典型值为6mΩ，而下面的场效应晶体管(Q2)的导通电阻(R_D_S（on）)典型值为1.5mΩ。它使用晶片尺寸封装，以改善开关速度及散热性能。其图三是器件的pin-out配置。Gate1是高侧栅极引脚。GR1是高侧柵极回路引脚。Gate2是低侧栅极引脚。V_sw是半桥的开关节点并包含并联连接在印刷电路板上的35只独立焊锡引脚。V_IN是对顶部场效应晶体管(Q1)的漏极提供输入电压，包含8只并联连接的引脚。P_GND是在下面的场效应晶体管(Q2)的源极端的功率接地连接，包含29只并联连接的引脚。通过集成两个功率场效应晶体管形成单片式器件，可以去除互连电感及印刷电路板上所需的空隙。这样可以提高效率(尤其是在更高频率时)及功率密度并同时降低组装成本。

图二：在单晶片上集成两个氮化镓场效应晶体管(eGaN FET)形成单片式半桥器件并使用晶片尺寸封装（Bump Side）

图三：展示器件的pin-out配置

从这个半桥产品系列的第一个范例可以看到，高侧场效应晶体管的尺寸大约是低侧器怍的四分之一，具备高V_IN/V_OUT比，在降压转换器可取得最忧直流-直流转换效率（见图四）。图五展示测量所得的电路效率。在500KHz及10A时，全降压转换器的峰值效率接近93%。在20A时，效率可高于90.5%。

图四：这是一个12V_IN、1.2V_OUT的降压转换器。左图是电路原理图，右图是使用EPC2100 eGaN半桥器件的实制电路

图五：采用EPC2100 eGaN半桥器件的降压转换器工作在500KHz及1MHz时所实现的总效率

在更高频工作件下，集成器件的优势更为明显。图六比较两个降压转换器工作在1MHz及4MHz频率时它们在不同输出电流的效率。蓝线代表采用分立式氮化镓场效应晶体管( eGaN FET)的转换器。黑线代表采同EPC2100单片式半桥器件的降压转换器。

由于半桥的尺寸比两个分立场效应晶体管的总晶片面积小33%，因此同步整流器场效应晶体管(Q2)具高出大约50%的阻抗，以及在低频及大电流情况下，采用单片式半桥器件的降压转换器具较低效率。可是，当频率增加至4MHz，单片式半桥器件的峰值效率比分立式器件的峰值效率高出大约2%（见图六）。

去除在晶片与晶片之间的空隙以最优功率环路版图可大大减少总功率环路电感至低于200pH——这是少于分立器件EPC2015所述的一半电感。这使得电压在三分之二纳秒范围内转换，以及在25A开关时的过冲也只是3.6V（见图七）。

已有大批量供货的分立氮化镓场效应晶体管差不多达五年之久，并进驻了很多自前硅MOSFET器件的传统应用。由于全新技术的学习曲线及发展比旧有器件更快速，因此氮化镓器件可实现的效率不断抛离硅器件的效率。现在设计师已有单片式eGaN半桥器件系列的第一个产品，可节省空闻、提高效率及降低系统成本。当功率转换系统延伸至数MHz领域，集成多个分立器件变得更为重要，以实现高系统效率及高功率密度。

图六：与分立氮化镓场效应晶体管（Q1：EPC2015；Q2：EPC2023）相比，采用EPC2100 eGaN半桥器件的总降压转换器效率

图七：EPC2100 eGaN半桥器件的开关节点波形图：V_IN=12V转至V_OUT=1.2V、25A I_OUT、1MHz、650ps上升时间及750ps下降时间

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Enhancement-Mode Gallium Nitride Technology

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EPC2934C eGaN FET Material Composition Declaration

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应用笔记或设计指南 - EPC - 2023/1/10 PDF 英文下载

eGaN® FETs and ICs for Time-of-Flight/Lidar APPLICATION BRIEF

型号- EPC2212,EPC2214,EPC2216,EPC2218,EPC2016C,EPC9126,EPC9049,EPC2052,EPC2051,EPC2055,EPC9087,EPC8009,EPC2302,EPC2001C,EPC2306,EPC9010C,EPC8002,EPC2065,EPC2221,EPC8004,EPC9097,EPC90145,EPC90142,EPC9092,EPC9050,EPC90146,EPC2219,EPC9091,EPC9006C,EPC2036,EPC2035,EPC2038,EPC2037,EPC2034C,EPC2014C,EPC9507,EPC2071,EPC9029,EPC9144,EPC9024,EPC9126HC,EPC8010,EPC90132,EPC9022,EPC90137,EPC9005C,EPC2204,EPC2007C,EPC2040,EPC9156,EPC21603,EPC21601,EPC2044,EPC9030,EPC90123,EPC9154,EPC9150,EPC90128

应用笔记或设计指南 - EPC - 2022/10/10 PDF 英文下载

eGaN® FETs and ICs for Time-of-Flight/Lidar APPLICATION BRIEF

型号- EPC2212,EPC2214,EPC2216,EPC2218,EPC2016C,EPC9126,EPC9049,EPC2052,EPC2051,EPC2055,EPC9087,EPC8009,EPC2302,EPC2001C,EPC2306,EPC9010C,EPC8002,EPC2065,EPC2221,EPC8004,EPC9097,EPC90145,EPC90142,EPC9092,EPC9050,EPC90146,EPC2219,EPC9091,EPC9006C,EPC2036,EPC2035,EPC2038,EPC2034C,EPC2037,EPC2014C,EPC9507,EPC2071,EPC9029,EPC9144,EPC9024,EPC9126HC,EPC8010,EPC90132,EPC9022,EPC90137,EPC9005C,EPC2204,EPC2007C,EPC2040,EPC9156,EPC21603,EPC21601,EPC9030,EPC90123,EPC9154,EPC9150

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