GaN如何重新定義電源轉換?

作者 : Alex Lidow,EPC執行長暨聯合創始人

隨著新一代離散元件的推出,eGaN技術正在迅速發展,這已成為新一代高效、小尺寸和低成本IC的平台…

氮化鎵(GaN)功率元件已投入生產10多年,除了性能和成本方面的改進外,GaN技術具有將多個元件整合在同一基板上的既有特性,這將極有可能為電源轉換市場帶來巨大影響。這種能力將使單晶片電源系統能夠以更簡單、更高效、更具成本效益的方式在單晶片上進行設計。

基於GaN的晶片已經歷了整合的各個階段,從單純的離散元件到單片式(monolithic)半橋元件,再到包含單片整合驅動器的功率FET。最近又發展到單片式電源階段,整合了功率FET、驅動器、電平轉換電路、邏輯模組和保護功能。

第一階段:單片式半橋

大約六年前,宜普電源轉換(EPC)開始了單片式半橋整合的第一階段。他們進行這一步的原因很有說服力:半橋是電源轉換中最常用的建構模組。如圖1所示,第一批IC元件將上橋電晶體和下橋電晶體都放置在同一個基板上。整合的優勢包括尺寸上的縮小和成本上的降低,並且由於兩個電晶體的緊密耦合,寄生共源電感也被降低了,且提高開關速度這一優點使開關電源轉換系統更快、更高效。

 

圖1:整合式半橋的橫截面圖(左)和選擇30V~100V對稱和非對稱半橋的晶片裸晶(右)。

 

圖2比較了降壓轉換器中離散元件與單片式半橋元件在12V輸入電壓和1.2V輸出電壓下,以1MHz頻率工作的性能表現。藍線表示兩個GaN離散電晶體,利用非常高效的PCB佈線,由矽驅動器驅動的結果;綠線代表單片式半橋元件的性能表現。

 

圖2:12V輸入電壓和1.2V輸出電壓下,以1MHz頻率工作的GaN離散(藍線)和GaN單片式半橋(綠線)的性能表現比較。

 

基於多種原因,單片式方案的效率要高得多。第一個原因是,電源迴路電感已從約40pH減少到約200pH的範圍,而當以MHz工作時,這會產生重大的影響。第二個原因是,在非對稱降壓轉換器中,上橋元件或控制元件的運作溫度往往比下橋元件高。當這兩個元件在同一晶片上時,它們的熱量相互平衡,可以實現更低的峰值溫度和更高的整體效率。

第二階段:eGaN FET加驅動器

在GaN中,閘極和汲極之間的距離很大程度上決定了元件可以承受的電壓。如圖3所示,透過縮小該距離,可以製造出更小的元件,這也使得非常簡單的低壓邏輯和類比元件可以與大功率高壓元件放置在同一晶片上。

 

圖3:整合eGaN FET和驅動器的橫截面圖(上),以及整合eGaN FET和驅動器的ToF裸晶(下)。

 

圖3下方展示了ToF IC中eGaN FET,以及驅動器整合的示例。在晶片的上方,可以看到具備輸入邏輯的電路及驅動器。在下方,可以看到輸出FET,該元件將擷取邏輯訊號,並發出很高的電流和非常非常短的脈衝,可在ToF光達(LiDAR)應用中發射雷射。這是一個很好的例子,說明了如何將驅動器和GaN FET整合在一個晶片上,以生成功能強大、速度非常快的可被常規邏輯閘驅動的IC。

圖4顯示了這種整合的結果。圖中的粉紅色線代表通過元件的汲極電流,它顯示了一個10A的脈衝,其寬度約為1.94ns,上升時間為380ps,下降時間為525ps。當2.1V的邏輯輸入訊號(綠線)輸入裝置時,輸入訊號和輸出之間會有大約1ns的延遲。這其實非常快了,該元件可以從容地以100MHz的脈衝頻率運作。

 

圖4:2.1V邏輯電平輸入的單脈衝波形。黃色線為輸入(1V/div),粉紅色線為汲極電流(5V/div或2.5A/div)。

 

第三階段:ePower階段

在2019年初,如圖5所示,驅動功能和單片式半橋與電平轉換器、同步升壓電路、保護和輸入邏輯一起整合在一個矽基GaN基板上,圖6為該晶片的裸晶示意圖。ePower作為完整的電源,可以幾MHz的頻率驅動,並由一個簡單的下橋CMOS IC控制,並且只需添加幾個被動元件就可以構成一個完整的直流穩壓器。與離散方案相比,該解決方案在尺寸上小了35%,元件的數量減少了一半,整合的電源所需的設計階段要少得多,因為它只是簡單的邏輯輸入和電源輸出。

 

圖5:eGaN整合電源的橫截面圖。

 

圖6:ePower電源EPC2152的晶片裸晶圖。

 

圖7展示了在一個48Vin~12Vout降壓轉換器中,這種單片式電源(如圖5和6所示)在1MHz和2.5MHz下工作時的效率。綠線表示單片式電源的效率,藍線表示使用FET離散實現的效率(具有與單片式IC相同的特性,並使用了非常高效的佈線,將離散驅動器IC放置在非常靠近FET的位置)。圖7中的實線表示元件在1MHz頻率下工作,並且單片式IC的性能明顯優於離散實現方案。

 

圖7:在一個 48V輸入,12V輸出的降壓轉換器中,以1MHz (實線)和2.5MHz (虛線)頻率工作的GaN離散(藍線)和GaN單片式半橋(綠線)的性能比較,黑色X代表同類最佳的MOSFET在1MHz時的性能。

 

單片式電源擁有更高性能有三個原因。首先,透過單片式半橋設計,可顯著降低電源迴路電感;其次,利用將驅動放在距離FET非常近的同一晶片上,可以消除閘極迴路電感;最後,將所有這些元件放在一起將形成一個「熱浴盆」,可以均勻所有元件的溫度,因此產生一個平均較低的淨溫度。

除了ToF示例外,如圖8所示,整合電源已經在三相馬達驅動應用中進行了測試。該應用的優勢在於能夠為馬達驅動提供更高的開關頻率,從而降低了尺寸(此方案僅為45mm × 55mm)、減輕了重量、降低了聽得見的噪音,並提供了更高的馬達定位精準度,馬達定位對於許多機器人設備至關重要。

 

圖8:使用ePower Stage EPC2152的500 W三相馬達驅動電路的照片(圈出部分為ePower Stage)。

 

GaN的未來

圖9顯示了eGaN技術進程的摘要。如圖9上方所示,EPC正處在離散式平台中第「5+」代;如圖9底部所示,IC從單片式半橋開始,隨後進行擴展,以增加更多功能和特性。

 

圖9:GaN技術離散和整合開發的發展藍圖。

 

前面討論的單片式電源IC與基於矽MOSFET的多晶片DrMOS模組具有相同的基本功能,但還具有更高的電壓、更高的開關速度、更小尺寸和更低的成本等優勢。這些第一代電源僅包含電容、電阻和橫向N通道FET。後來很快又包含了電流和溫度在內的其他感測元件,以及諸如基準電壓源、比較器和運算放大器的電路模組,從而在單個晶片上建構整合的控制器和輸出級。還可以整合多級拓撲,以便用低電壓電源元件實現較高的輸入電壓。

幾年之後,離散式技術將與IC融合。隨著離散元件獲得越來越高的電源密度,它們將不再可能從元件的凸塊結構中抽取電流,因此,小型、多晶片、多功能的IC將會是必要的。在未來的3~4年內,電源轉換中的離散式電晶體將逐漸過時,設計人員在建構電源系統時將選擇整合解決方案。

整合的挑戰

在實現完整的GaN系統單晶片(SoC)解決方案之前,還需要克服一些挑戰。首先,GaN中還沒有P通道元件,這使得電路設計更加困難,尤其是可能無法製造出好的CMOS電路;其次,預先設計的電路模組更少。

GaN是一種相對較新的技術,因此沒有龐大的電路模組庫可以簡單地被「剪下和黏貼」使用。缺少電路模組庫使得設計階段更長,因為設計過程需要更多的反覆運算,並且需要IC設計人員具有更高的技術水準。第三,離散式技術將繼續快速發展,GaN仍與其最大理論性能相差300倍之多。

如果IC平台的成長不能迅速跟上離散式平台的發展,那麼IC將無法產出離散式電晶體現在還具有的性能優勢。因此,克服這些挑戰需要極速開發製程設計套件,以實現IC功能設計的自動化,以及設計套件的演進,用來與快速的技術發展步伐保持同步。

總結

隨著新一代離散元件的推出,eGaN技術正在迅速發展,這已成為新一代高效、小尺寸和低成本IC的平台。GaN IC可使產品更小、更快、更高效,且更易於設計,GaN的崛起正在重新定義電源轉換,而這項偉大的新技術將對IC產生巨大的影響。

(參考原文:How GaN Integrated Circuits Are Redefining Power Conversion,by Alex Lidow)

本文同步刊登於於《電子工程專輯》雜誌2021年6月號

 

 

 

 

加入我們官方帳號LINE@,最新消息一手掌握!

發表評論