就像生活中的現(xiàn)實一樣，當老年人離開年輕人的舞臺時，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，隨著功率 MOSFET 結(jié)構(gòu)、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，在新千年中，隨著硅功率 MOSFET 接近其理論界限，改進的速度顯著放緩。同時，新材料 GaN 正穩(wěn)步朝著理論性能邊界邁進，該邊界比老化的硅 MOSFET 好 6,000 倍，比當今市場上最好的 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）和第 5 代（綠色星號）展示了 GaN 當前最先進的性能。

開始

EPC 的增強型氮化鎵 (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，并且價格相當與 MOSFET。GaN 基功率晶體管和集成電路的早期成功最初來自 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 高速開關能力的首批批量應用是用于 4G/LTE 基站的射頻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)。隨著這些早期應用的成功，GaN 功率器件的產(chǎn)量已經(jīng)增長，現(xiàn)在的價格與更慢的開關和更大的等效額定功率 MOSFET 組件相當。

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

加速采用 GaN 功率器件

隨著價格競爭力的這種交叉，更傳統(tǒng)的大批量應用已開始采用 GaN 解決方案。電源設計人員意識到，eGaN FET 可以為云計算、人工智能、機器學習和游戲應用的高密度計算應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。汽車公司也開始在輕度混合動力汽車中采用 48 V 配電總線電源、配電拓撲。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。設計到其中幾個系統(tǒng)中的 eGaN FET 將在未來兩到三年內(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之外，GaN 半導體技術影響功率轉(zhuǎn)換市場的最重要機會來自其將多個器件與單個襯底集成的內(nèi)在能力。與標準硅 IC 技術相比，GaN 技術允許設計人員在單個芯片上實現(xiàn)單片電源系統(tǒng)，比僅使用硅技術更簡單、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)動器的功率 FET，以及最近，到包含功率 FET、驅(qū)動器、電平轉(zhuǎn)換電路、邏輯和保護。

在2019 年初，驅(qū)動功能和單片半橋與電平轉(zhuǎn)換器、同步啟動電路、保護和輸入邏輯合并到單個 GaN-on-Si 襯底上，如圖 3(a) 和 3(b) 所示）。這個完整的功率級，即 ePower 級，可以在數(shù)兆赫頻率下驅(qū)動，并由一個簡單的以地為參考的 CMOS IC 控制，只需添加幾個無源元件，它就可以成為一個完整的 DC-DC 穩(wěn)壓器。圖 4 顯示了該單片功率級在 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 級圖像，和 (b) 等效電路圖。

圖 4. 使用 EPC2152 單片 ePower 級 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)動器的相同電路的性能比較我知道了。

審核編輯：湯梓紅