過去的四十年中，隨著功率MOSFET結構，技術和電路拓撲的創(chuàng)新與不斷增長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，在新的千年中，隨著硅功率MOSFET接近其理論極限，改進速度已大大降低。同時，一種新材料氮化鎵（GaN）朝著理論性能極限的方向穩(wěn)步發(fā)展，該性能極限是老化的MOSFET的6000倍，是當今市場上最好的GaN產(chǎn)品的300倍（圖） 1）。

圖1：一平方毫米器件的理論導通電阻與基于Si和GaN的功率器件的阻斷電壓能力之間的關系。第4代（紫色點）和第5代（綠色星號）說明了GaN當前的最新性能。

起點

EPC的增強型氮化鎵（eGaN?）FET已有十（10）年的生產(chǎn)歷史，第五代器件的尺寸僅為第四代器件的一半，速度快兩倍，并且價格與MOSFET?；贕aN的功率晶體管和集成電路的早期成功最初源于GaN與硅相比的速度優(yōu)勢。GaN-on-Si晶體管的開關速度比MOSFET快10倍，比IGBT快100倍。

諸如4G / LTE基站的RF包絡跟蹤以及用于自動駕駛汽車，機器人，無人機和安全系統(tǒng)的光檢測和測距（激光雷達）系統(tǒng)等應用是充分利用GaN高速交換能力的首批應用。隨著這些早期應用的成功，GaN功率器件的產(chǎn)量不斷增長，現(xiàn)在的價格與開關速度較慢且額定功率更大的MOSFET組件的價格相當（圖2）。

圖2：與等效功率MOSFET相比，額定100 V的eGaN FET的分銷商定價調查結果。eGaN FET價格顯示在紅色橢圓形內。

加速采用GaN功率器件

隨著價格競爭力的跨越，更傳統(tǒng)的大批量應用已開始采用GaN解決方案。電源設計人員認識到，eGaN FET可以為更高密度和更高效的48 V DC-DC電源做出重大貢獻，而高密度計算應用則需要云計算，人工智能，機器學習和游戲應用。

汽車公司還開始在輕度混合動力汽車中采用48 V配電總線配電拓撲。這些汽車制造商的要求是針對48 V – 14 V雙向轉換器。它們還必須高效，可靠且具有成本效益。在接下來的兩到三年內，將為其中幾種系統(tǒng)設計的eGaN FET將出現(xiàn)在汽車上。

超越分立功率器件

除了性能和成本提高外，GaN半導體技術影響功率轉換市場的最大機會還在于其將多個器件集成在單個襯底上的內在能力。與標準硅IC技術相比，GaN技術使設計人員能夠以比僅使用硅技術更直接，更經(jīng)濟的方式在單個芯片上實現(xiàn)單片電源系統(tǒng)。

使用硅基氮化鎵襯底制造的集成電路已經(jīng)生產(chǎn)了五年以上。從那時起，基于GaN的IC經(jīng)歷了集成的各個“階段”，從最初的純分立器件到單片半橋組件，再到包括其自己的單片集成驅動器的FET，最近又發(fā)展到完全單片功率級，包含功率FET，驅動器，電平轉換電路，邏輯和保護。

在2019年初，驅動器功能和單片半橋與電平轉換器，同步升壓電路，保護和輸入邏輯一起合并到單個GaN-on-Si襯底上，如圖3（a）和3（b）所示）。這個完整的功率級ePower?Stage可以以幾兆赫茲的頻率驅動，并由一個簡單的以地為參考的CMOS IC控制，并且只需添加幾個無源元件，就可以成為一個完整的DC-DC穩(wěn)壓器。圖4顯示了在48 VIN– 12 VOUT降壓轉換器中，該單片功率級在1 MHz和2.5 MHz時的效率。

圖3：（a）尺寸為3.9 mm x 2.6 mm的EPC2152單片ePower平臺的圖像，以及（b）等效電路圖

圖4：使用EPC2152單片ePower Stage IC在1 MHz和2.5 MHz頻率下，48 VIN– 12 VOUT降壓轉換器的效率與輸出電流的關系，與使用分立式GaN晶體管和半硅片的相同電路的性能相比橋驅動器IC。

ePower?Stage可替換至少三個分立組件；柵極驅動器加上兩個FET，使設計和制造更加容易。與圖5所示的分立實施方案相比，這種單片GaN IC節(jié)省了至少33％的印刷電路板空間。該器件使設計人員可以輕松利用GaN技術帶來的顯著性能改進。集成的單片組件（例如ePower Stage）更易于設計，更易于布局，更易于組裝，節(jié)省了PCB上的空間并提高了效率。

圖5：48 V – 12 V降壓轉換器的功率級分立實施與單片ePower?Stage實施的比較。集成可在PCB上節(jié)省33％的空間。

GaN功率組件之旅仍在繼續(xù)…

上一部分中討論的單片功率級IC具有與基于硅MOSFET的多芯片DrMOS模塊相同的基本功能，但電壓更高，開關速度更高，成本更低且占地面積更小。但是，這僅僅是GaN-on-Si器件集成機會的開始。這些第一代功率級僅包括電容器，電阻器和橫向n溝道FET。很快，就可以將電流和溫度的額外檢測與參考，比較器和運算放大器之類的電路模塊一起添加，以在單個芯片上構建集成的控制器以及輸出級。還可以集成多級電源轉換拓撲，從而可以用較低電壓的功率器件實現(xiàn)較高的輸入電壓。

最終，p通道器件也將基于目前正在開發(fā)的許多有希望的結構之一進行單片集成。一旦可以集成互補的n通道和p通道設備，CMOS電路將成為可能，從而實現(xiàn)更高效的驅動器和邏輯電路。

通過進入30 MHz以上的極高頻率，無源組件的尺寸變得如此之小，以至于有可能將完整電源轉換器所需的所有組件集成在單個芯片上。從簡單的分立式GaN FET開始的旅程正在穩(wěn)步向完整的片上系統(tǒng)解決方案邁進（圖6）。

圖6：eGaN技術從離散到完全集成的片上系統(tǒng)解決方案的歷史和計劃發(fā)展

編輯：hfy