【技术】新款第五代100V eGaN FET进一步拉大与硅功率MOSFET的性能差距

时间： 2020-09-27 来源：EPC

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EPC正在拉大100V额定值的eGaN FET与老化的硅功率MOSFET之间的性能差距。与先前的第五代产品相比，新的第五代“ plus”设备的R_DS（on）降低了约20％，相对提高了DC额定值。这种性能的提高归因于厚金属层的增加以及从焊锡球到焊锡条的转换。

图1:eGaN®FET横截面显示了在Gen 5“plus”家族中添加的第四金属层

两款新产品EPC2204和EPC2218如图2所示，与上一代eGaN FET进行了比较。EPC2204的芯片尺寸与EPC2045相同，但连续电流能力（I_{DC_CONT}）提高了80％，导通电阻（R_DS（on））降低了20％，结到板热阻降低了70％（R_ΘJB）。

图2：第五代“plus”产品（绿色）与前代产品相比，电流处理能力、导通电阻和热阻都得到了显著改善

为了说明相对于硅功率MOSFET的显著性能优势，图3将第五代和第五代“plus” eGaN FET与基准硅器件（Infineon的BSZ070N08LS5）进行了比较。 EPC2204的R_DS（on）低25％，但尺寸却小了三倍。通过借助新技术，栅极电荷（Q_G）不到硅MOSFET的一半，并且与所有eGaN FET一样，零反向恢复电荷（Q_RR）使得失真程度较低的D类音频放大器以及更高效的同步整流器和电机驱动器得以实现。

图3：第五代和第五代“plus” eGaN FET与基准硅功率MOSFET的比较，新型eGaN FET扩大了与最接近的MOSFET竞争对手的性能差距

图4的性能曲线进一步证实了新一代100 V eGaN FET的优势。图中显示了一个工作在2 MHz的降压转换器，它可以将12V或24V转换为3.3V。EPC2204和EPC2218设备由蓝线表示，红线是基准Infineon 60 V MOSFET的效率和功率损耗。

图4：Infineon MOSFET与第5代“plus”EPC2204和EPC2218 DC-DC降压转换器在2 MHz下的效率比较

对于像这些新一代eGaN FET一样小的器件，一个常见的问题是它们在运行中如何散热。由于芯片规模的封装，热效率比封装中的同类硅器件要高得多。例如，图5展示了一个类似于EPC2204的4mm² eGaN FET，显示了该器件在6W功率下的4°C/W热阻。为了清楚起见，我们显示了一个仿真图像，但是该设备的实际功能已通过实验确认。

图5：模拟4mm² eGaN FET的热图像类似于EPC2204，显示的热阻为4°C/W，该性能已通过实验验证

由于这些新的100 V eGaN FET具有明显的优越性，人们可能想当然地认为它们的定价会偏高。但EPC为这些最先进的100V晶体管制定的价格与日益老化的上代硅基MOSFET相当。

为了帮助设计工程师更快地将产品推向市场，EPC提供了许多利用这些芯片级产品的设计工具、开发套件和参考设计。图6列出了这些部件、它们相应的开发套件和可用的参考设计。所有EPC产品都具有PSPICE，TSPICE，LTSPICE，Spectre，Altium和散热设备型号。

图6：该表显示了EPC2204和EPC2218 100V eGaN FET可用的开发套件和参考设计

使用EPC2218的参考设计的一个示例是图7中的超薄EPC9153降压转换器。该降压转换器设计用于输入电压在40至60 V之间的超薄产品，例如显示器和笔记本电脑。厚度仅为6.5毫米，但效率超过98％，温升仅35°C，无需额外散热或气流。

图7：EPC9153参考设计是一个250 W超薄型降压转换器，满载时效率超过98％，并且温升仅35°C

同样的设计可以配置为12V稳压输出。12V输出电压下的效率与负载功率的关系如图8所示。稳态时，56 VIN时满载效率达到97.4%，48 VIN时满载效率达到97.6%。

图8：输出电压为12V时，图7中系统的效率与负载功率之比

EPC的最新一代100V eGaN FET以更小，更高热效率的尺寸实现了良好的性能，并且价格与老化的MOSFET相当。与前几代eGaN FET相比，这些新产品的导通电阻更低，热阻更低，具有更高的额定DC电流能力。

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