就像生活中的現(xiàn)實(shí)一樣，當(dāng)老年人離開年輕人的舞臺(tái)時(shí)，Silicon 正在鞠躬。氮化鎵 (GaN) 的出現(xiàn)和采用已成功地逐步淘汰了舊的可靠硅。四十多年來(lái)，隨著功率 MOSFET 結(jié)構(gòu)、技術(shù)和電路拓?fù)涞膭?chuàng)新與不斷增長(zhǎng)的電力需求保持同步，電源管理效率和成本穩(wěn)步提高。然而，在新千年中，隨著硅功率 MOSFET 接近其理論界限，改進(jìn)的速度顯著放緩。同時(shí)，新材料 GaN 正穩(wěn)步朝著理論性能邊界邁進(jìn)，該邊界比老化的硅 MOSFET 好 6,000 倍，比當(dāng)今市場(chǎng)上最好的 GaN 產(chǎn)品好 300 倍（圖 1）。

圖 1. 1 平方毫米器件的理論導(dǎo)通電阻與 Si 和 GaN 基功率器件的阻斷電壓能力。第 4 代（紫色圓點(diǎn)）和第 5 代（綠色星號(hào)）展示了 GaN 當(dāng)前最先進(jìn)的性能。

開始

EPC 的增強(qiáng)型氮化鎵 (eGaN) FET 已投入生產(chǎn)十 (10) 多年，第五代器件的尺寸是其第四代前代器件的一半，速度是其兩倍，并且價(jià)格相當(dāng)與 MOSFET。GaN 基功率晶體管和集成電路的早期成功最初來(lái)自 GaN 與硅相比的速度優(yōu)勢(shì)。GaN-on-Si 晶體管的開關(guān)速度比 MOSFET 快十 (10) 倍，比絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 快 100 倍。

充分利用 GaN 高速開關(guān)能力的首批批量應(yīng)用是用于 4G/LTE 基站的射頻包絡(luò)跟蹤以及用于自動(dòng)駕駛汽車、機(jī)器人、無(wú)人機(jī)和安全系統(tǒng)的光檢測(cè)和測(cè)距（激光雷達(dá)）系統(tǒng)。隨著這些早期應(yīng)用的成功，GaN 功率器件的產(chǎn)量已經(jīng)增長(zhǎng)，現(xiàn)在的價(jià)格與更慢的開關(guān)和更大的等效額定功率 MOSFET 組件相當(dāng)。

（圖 2）。100 V 額定 eGaN FET 與等效額定功率 MOSFET 的分銷商定價(jià)調(diào)查結(jié)果。eGaN FET 價(jià)格顯示在紅色橢圓內(nèi)。

加速采用 GaN 功率器件

隨著價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力的這種交叉，更傳統(tǒng)的大批量應(yīng)用已開始采用 GaN 解決方案。電源設(shè)計(jì)人員意識(shí)到，eGaN FET 可以為云計(jì)算、人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)和游戲應(yīng)用的高密度計(jì)算應(yīng)用所需的更高功率密度和更高效的 48 V DC-DC 電源做出重大貢獻(xiàn)。汽車公司也開始在輕度混合動(dòng)力汽車中采用 48 V 配電總線電源、配電拓?fù)?。這些汽車制造商的要求是雙向 48 V - 14 V 轉(zhuǎn)換器。它們還必須高效、可靠且具有成本效益。設(shè)計(jì)到其中幾個(gè)系統(tǒng)中的 eGaN FET 將在未來(lái)兩到三年內(nèi)出現(xiàn)在汽車上。

超越分立功率器件

除了性能和成本改進(jìn)之外，GaN 半導(dǎo)體技術(shù)影響功率轉(zhuǎn)換市場(chǎng)的最重要機(jī)會(huì)來(lái)自其將多個(gè)器件與單個(gè)襯底集成的內(nèi)在能力。與標(biāo)準(zhǔn)硅 IC 技術(shù)相比，GaN 技術(shù)允許設(shè)計(jì)人員在單個(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)單片電源系統(tǒng)，比僅使用硅技術(shù)更簡(jiǎn)單、更具成本效益。

使用 GaN-on-Si 襯底制造的集成電路已投入生產(chǎn)超過五年。從那時(shí)起，基于 GaN 的 IC 經(jīng)歷了不同的集成階段。從純分立器件到單片半橋組件，再到包含其單片集成驅(qū)動(dòng)器的功率 FET，以及最近，到包含功率 FET、驅(qū)動(dòng)器、電平轉(zhuǎn)換電路、邏輯和保護(hù)。

在2019 年初，驅(qū)動(dòng)功能和單片半橋與電平轉(zhuǎn)換器、同步啟動(dòng)電路、保護(hù)和輸入邏輯合并到單個(gè) GaN-on-Si 襯底上，如圖 3(a) 和 3(b) 所示）。這個(gè)完整的功率級(jí)，即 ePower 級(jí)，可以在數(shù)兆赫頻率下驅(qū)動(dòng)，并由一個(gè)簡(jiǎn)單的以地為參考的 CMOS IC 控制，只需添加幾個(gè)無(wú)源元件，它就可以成為一個(gè)完整的 DC-DC 穩(wěn)壓器。圖 4 顯示了該單片功率級(jí)在 48 VIN — 12 VOUT 降壓轉(zhuǎn)換器中的 1 MHz 和 2.5 MHz 效率。

圖 3. (a) 尺寸為 3.9 mm x 2.6 mm 的 EPC2152 單片 ePower 級(jí)圖像，和 (b) 等效電路圖。

圖 4. 使用 EPC2152 單片 ePower 級(jí) IC 的 48 VIN – 12 VOUT 降壓轉(zhuǎn)換器在 1 MHz 和 2.5 MHz 下的效率與輸出電流與使用分立 GaN 晶體管和硅半橋驅(qū)動(dòng)器的相同電路的性能比較我知道了。

審核編輯：湯梓紅