基于GaN芯片的電源轉(zhuǎn)換方案設(shè)計(jì)

大約六年前，宜普電源轉(zhuǎn)換公司（EPC）開(kāi)始了單片式半橋集成的第一階段。他們進(jìn)行這一步的原因很有說(shuō)服力：半橋是電源轉(zhuǎn)換中最常用的構(gòu)建模塊。如圖1所示，第一批IC器件將上橋晶體管和下橋晶體管都放置在同一個(gè)襯底上。集成的優(yōu)勢(shì)包括尺寸上的減小和成本上的降低，并且由于兩個(gè)晶體管的緊密耦合，寄生共源電感也被降低了。并且，提高開(kāi)關(guān)速度這一優(yōu)點(diǎn)使開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)更快，更高效。

圖1 ：（左）集成式半橋的橫截面圖和（右）選擇30 V – 100 V對(duì)稱和非對(duì)稱半橋的芯片裸片圖像。

圖2比較了降壓轉(zhuǎn)換器中分立器件與單片半橋器件在12 V輸入電壓和1.2 V輸出電壓下，以1 MHz頻率工作的性能表現(xiàn)。藍(lán)線表示兩個(gè)GaN分立晶體管，利用非常高效的PCB布線，由硅驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的結(jié)果。綠線代表單片式半橋器件的性能表現(xiàn)。

圖2：12 V輸入電壓和1.2 V輸出電壓下，以1 MHz頻率工作的GaN分立（藍(lán)線）和GaN單片半橋（綠線）的性能表現(xiàn)比較。

基于多種原因，單片式方案的效率要高得多。第一個(gè)原因是，電源環(huán)路電感已從約400 pH減小到約200 pH的范圍，而當(dāng)以兆赫茲工作時(shí)，這會(huì)產(chǎn)生重大的影響。第二個(gè)原因是，在非對(duì)稱降壓轉(zhuǎn)換器中，上橋器件或控制器件的運(yùn)行溫度往往比下橋器件高。當(dāng)這兩個(gè)器件在同一芯片上時(shí)，它們的熱量相互平衡，可以實(shí)現(xiàn)更低的峰值溫度和更高的整體效率。

第二階段：eGaN FET加驅(qū)動(dòng)器

在GaN中，柵極和漏極之間的距離很大程度上決定了器件可以承受的電壓。如圖3所示，通過(guò)縮小該距離，可以制造出更小的器件，這也使得非常簡(jiǎn)單的低壓邏輯和模擬器件可以與大功率高壓器件放置在同一芯片上。

圖3：（上）集成eGaN FET和驅(qū)動(dòng)器的橫截面圖（下）集成eGaN FET和驅(qū)動(dòng)器的ToF裸片圖像。

圖3下方展示了ToF IC中eGaN FET以及驅(qū)動(dòng)器集成的示例。在芯片的上方，可以看到帶有輸入邏輯的電路以及驅(qū)動(dòng)器。在下方，可以看到輸出FET。該器件將獲取邏輯信號(hào)，并發(fā)出很高的電流和非常非常短的脈沖，可在ToF激光雷達(dá)應(yīng)用中發(fā)射激光。這是一個(gè)很好的例子，說(shuō)明了如何將驅(qū)動(dòng)器和GaN場(chǎng)效應(yīng)晶體管集成在一個(gè)芯片上，以生成功能強(qiáng)大、速度非常快的可被常規(guī)邏輯門(mén)驅(qū)動(dòng)的IC。

圖4顯示了這種集成的結(jié)果。圖中的粉紅色線代表通過(guò)器件的漏極電流。它顯示了一個(gè)10 A的脈沖，其寬度約為1.94 ns，上升時(shí)間為380 ps，下降時(shí)間為525 ps。當(dāng)2.1 V的邏輯輸入信號(hào)（綠線）輸入設(shè)備時(shí)，輸入信號(hào)和輸出之間會(huì)有大約1 ns的延遲。這其實(shí)非?？炝?！該器件可以從容地以100 MHz的脈沖頻率運(yùn)行。

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

第三階段：ePower階段

在2019年初，如圖5所示，驅(qū)動(dòng)功能和單片半橋與電平轉(zhuǎn)換器、同步升壓電路、保護(hù)和輸入邏輯一起集成在一個(gè)硅基GaN襯底上。圖6為該芯片的裸片示意圖。ePower作為完整的電源，可以幾兆赫茲的頻率驅(qū)動(dòng)，并由一個(gè)簡(jiǎn)單的下橋CMOS IC控制，并且只需添加幾個(gè)無(wú)源元件就可以構(gòu)成一個(gè)完整的直流穩(wěn)壓器。與分立式方案相比，該解決方案在尺寸上小了35%，元件的數(shù)量減少了一半。集成的電源所需的設(shè)計(jì)時(shí)間要少得多，因?yàn)樗皇呛?jiǎn)單的邏輯輸入和電源輸出。

圖5：eGaN集成電源的橫截面圖。

圖6：ePower 電源EPC2152的芯片裸片圖。

圖7展示了在一個(gè)48 – 12 降壓轉(zhuǎn)換器中，這種單片式電源（如圖5和6所示）在1 MHz和2.5 MHz下工作時(shí)的效率。綠線表示單片電源的效率，藍(lán)線表示使用FET分立式實(shí)現(xiàn)的效率（具有與單片IC相同的特性，并使用了非常高效的布線，將分立驅(qū)動(dòng)器IC放置在非?？拷麱ET的位置）。圖中的實(shí)線表示器件在1 MHz頻率下工作，并且單片IC的性能明顯優(yōu)于分立式實(shí)現(xiàn)方案。

圖7：在一個(gè) 48 V輸入，12 V輸出的降壓轉(zhuǎn)換器中，以1 MHz（實(shí)線）和2.5 MHz（虛線）頻率工作的 GaN分立（藍(lán)線）和GaN單片半橋（綠線）的性能比較。黑色X代表同類(lèi)最佳的MOSFET在1MHz時(shí)的性能。

單片式電源擁有更高性能有三個(gè)原因。首先，通過(guò)單片半橋設(shè)計(jì)，可顯著降低電源環(huán)路電感。其次，通過(guò)將驅(qū)動(dòng)放在距離FET非常近的同一芯片上，可以消除柵極環(huán)路電感。最后，將所有這些元件放在一起將形成一個(gè)“熱浴盆”，可以均勻所有器件的溫度，因此產(chǎn)生一個(gè)平均較低的凈溫度。圖中的虛線代表的是相同器件在2.5 MHz頻率下的性能表現(xiàn)。黑色X代表老化的MOSFET在此應(yīng)用中可以達(dá)到的最佳性能。

除了ToF示例外，如圖8所示，集成電源已經(jīng)在三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中進(jìn)行了測(cè)試。該應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)在于能夠?yàn)殡姍C(jī)驅(qū)動(dòng)提供更高的開(kāi)關(guān)頻率，從而減小了尺寸（此方案僅為45mm 55mm）、減輕了重量、降低了聽(tīng)得見(jiàn)的噪音，并提供了更高的電機(jī)定位精度。電機(jī)的定位對(duì)于許多機(jī)器人裝備至關(guān)重要。

圖8：使用ePower Stage EPC2152的500 W三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的照片（圈出部分為ePower Stage）。

GaN的未來(lái)

圖9顯示了eGaN技術(shù)進(jìn)程的摘要。 如圖9頂部所示，EPC正處在分立式平臺(tái)中第“5+”代。如圖9底部所示，集成電路從單片式半橋開(kāi)始，隨后進(jìn)行擴(kuò)展，以增加更多功能和特性。

前面討論的單片式電源IC與基于硅MOSFET的多芯片DrMOS模塊具有相同的基本功能，但還具有更高的電壓、更高的開(kāi)關(guān)速度、更小尺寸和更低的成本等優(yōu)勢(shì)。

這些第一代電源僅包含電容器、電阻器和橫向n溝道FET。后來(lái)很快又包含了電流和溫度在內(nèi)的其它傳感器件，以及諸如基準(zhǔn)電壓源、比較器和運(yùn)算放大器的電路模塊，從而在單個(gè)芯片上構(gòu)建集成的控制器和輸出級(jí)。還可以集成多級(jí)拓?fù)?，以便用低電壓電源器件?shí)現(xiàn)較高的輸入電壓。

圖9：GaN技術(shù)分立和集成開(kāi)發(fā)的路線圖。

幾年之后，分立技術(shù)將與集成電路融合。隨著分立式元件獲得越來(lái)越高的電源密度，它們將不再可能從器件的凸塊結(jié)構(gòu)中抽取電流。因此，小型的，多芯片的，多功能的集成電路將會(huì)是必要的。在未來(lái)的三到四年內(nèi)，電源轉(zhuǎn)換中的分立式晶體管將逐漸過(guò)時(shí)，設(shè)計(jì)人員在構(gòu)建電源系統(tǒng)時(shí)將選擇集成解決方案。

集成的挑戰(zhàn)

在實(shí)現(xiàn)完整的GaN片上系統(tǒng)解決方案之前，還需要克服一些挑戰(zhàn)。首先，GaN中還沒(méi)有p溝道器件，這使得電路設(shè)計(jì)更加困難，尤其是可能無(wú)法制造出好的CMOS電路。其次，預(yù)先設(shè)計(jì)的電路模塊更少。

GaN是一種相對(duì)較新的技術(shù)，因此沒(méi)有龐大的電路模塊庫(kù)可以簡(jiǎn)單地被“剪切和粘貼”使用。缺少電路模塊庫(kù)使得設(shè)計(jì)階段更長(zhǎng)，因?yàn)樵O(shè)計(jì)過(guò)程需要更多的迭代，并且需要IC設(shè)計(jì)人員具有更高的技術(shù)水平。第三，分立式技術(shù)將繼續(xù)快速發(fā)展，GaN仍與其最大理論性能相差300倍之多。

如果集成電路（IC）平臺(tái)的增長(zhǎng)不能迅速跟上分立平臺(tái)的發(fā)展，那么IC將無(wú)法產(chǎn)出分立晶體管現(xiàn)在還具有的性能優(yōu)勢(shì)。因此，克服這些挑戰(zhàn)需要極速開(kāi)發(fā)工藝設(shè)計(jì)套件，以實(shí)現(xiàn)IC功能設(shè)計(jì)的自動(dòng)化以及設(shè)計(jì)套件的迭代，用來(lái)與快速的技術(shù)發(fā)展步伐保持同步。

總結(jié)

隨著新一代分立式器件的推出，eGaN技術(shù)正在迅速發(fā)展，這已成為新一代高效、小尺寸和低成本集成電路的平臺(tái)。 GaN集成電路可使產(chǎn)品更小、更快、更高效，且更易于設(shè)計(jì)。 GaN的崛起正在重新定義電源轉(zhuǎn)換，而這項(xiàng)偉大的新技術(shù)將對(duì)集成電路產(chǎn)生巨大的影響！

編輯：hfy