集成的GaN器件将性能提升到新的水平

shuszhao · 发表于 2018-12-20 11:33:43

最近的半导体行业发展，比如宽禁带半导体商业化的显着增长，已经凸显出一个事实，即GaN现在已经可以大批量生产。这种材料工艺尽管尚未成熟，但GaN器件早已不是一项新技术。封装已经非常标准化，产量也比较高了，而且价格也在不断降低。
可以说1977年是电子设计历史上电源开始升起的标志性的一年。发展到今天，电源在电子行业已经占据举足轻重的地位。电源一度处于嵌入式设计的边缘，但现在却享有非常重要的地位。数字电路设计师过去只是在PCB上留给电源设计人员一点空间（如果足够大的话），并要求提供12V电压。现在电源的威力可大多了，不但可以让电动车跑得更远，而且让手机充电更快，甚至可以让电力设备经理节省两位数的能源成本。

电源革命
1977年HEXFET问世，它是由国际整流器公司（IR）的Alex Lidow和Dan Kenza领导的团队开发的。 Silicon General和Unitrod也在那一年开发出了电源管理芯片（PWMIC）。磁性材料也取得了突破，让元器件变得更快。曾经只在大学里出现的新型结构突然变成了行业主流。让开关电源成功商业化的核心技术发生在20世纪70年代后期。

功率半导体、拓扑、控制器和磁性材料的大融合为业界带来了惊人的变化：效率提高、相应功率密度增加，同时成本直线下降。这为电子行业的大量开发铺平了道路，为我们带来了很多新的技术，比如谐振电源、LLC转换器，以及英飞凌突破性的CoolMOS技术。

宽禁带半导体代表了功率电子的第二次革命。这些新型功率半导体激发了控制器公司的新控制器和改进的拓扑结构，如90年代后期推出的有源钳位反激式技术。此外，最新的磁性元件可在一兆赫兹或两兆赫兹下工作。同样，在这场革命中，效率提高、频率上升，成本却不断下降。
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图1：电源发展历程。

功率密度（AC-DC转换器~300W）；线性调节器；开关调节器；高频开关调节器；新磁性元件；新控制器；新拓扑结构；2倍低损耗；3倍低成本/W；10年5倍提升；超过30年每年<10%改善；十年5倍提升；新GaN功率IC；效率

运行更快
过去几年来，磁性能方面取得了重大进展，而且出现了改进的材料。就拿GaN来说，两年前人们还认为磁性不存在，为什么还要试图加快速度呢，但现在已经证明事实并非如此。

随着半导体和磁性技术的快速发展，控制器也是一个需要开发的领域，要跟上其他相关器件的快速发展。以Navitas公司的AllGaN技术为例，该公司采用增强模式GaN FET，并将之与驱动器集成在同一芯片上。 Navitas还可以集成其他器件，如电平转换器或ECD二极管，甚至是逻辑欠压锁定，使其更接近真正的GaN功率芯片。
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图2：AllGaN功率芯片的特性。

由于这一切都发生在单个芯片上，因此相对容易制造和封装，这自然也带来了其他系统好处。由于FET的栅极直接连接到栅极驱动器的输出，因此驱动器输出和栅极输入之间的阻抗为零。这也意味着GaN作为分立器件不容易搞定，但如果你能在一个盒子里集成一个完整的解决方案，那就意味着你可以小心地控制流向栅极的电压，这意味着也可以保护栅极。

集成的方案还意味着可以在高频工作，而不必担心栅极阻抗会影响性能、效率和稳定性。另一个优点是集成的驱动器可以提高稳健性，使用单芯片解决方案，布局也比较灵活。
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图3：GaN芯片集成解决方案。

宽范围Vcc；调节器可保护SOA内的VGS；滞后的PWM可抗噪声干扰；整体布局灵活简洁；栅极可防止外部噪声

开关
在高频应用中，软开关谐振拓扑是一种很好的方法。但在实际情况下，可能存在启动例程，也许是突发模式，你可以进行硬切换。要知道一切都非常艰难，可以可靠地进行硬切换，也可以进行软切换。

没有栅极阻抗或电阻的分立解决方案会产生不稳定的电路。如果添加了阻抗，它会变得稳定，但也会导致很长的开关周期。因此，如果可以直接连接驱动器输出和栅极输入，那么就可以快速运行并保持稳定。压摆率只需要一个电阻即可搞定。因此，集成意味着一种非常可控的高性能器件。

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图4：分离驱动器和分离FET与GaN功率芯片性能比较。

关于集成的另一个问题是ESD。标准硅MOSFET的ESD非常容易理解。PWMIC的ESD也是众所周知的。而GaN器件是分立形式的，其ESD就不是那么容易理解。我们必须要小心，但如果你要设计功率IC，那么就要将ESD二极管放在上面。因此，这也成为通过集成使生活变得更为轻松的另一种方式，可以集成电平移位器，或半桥直通保护之类的东西。

在这种情况下，集成解决方案占板面积为6×8mm，具有完整的半桥系统和自举充电功能，以及欠压锁定和ESD保护特性。在频率方面，这些器件的额定值为2兆赫兹。关于高频电平转换的一个注意事项是，存在电感耦合或电容耦合的技术可以进行电平转换，但其本质上是不同的技术。

集成的优势
在易用性方面，相对于分立方案，带驱动器的集成方案可明显减少组件数量，使设计更具可预测性，而且设计速度也更快，性能更高。集成是控制和性能的关键。集成的解决方案可提供一个可预测的构建模块。

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图5：分离方案与集成方案的对比。

图6示出了一个65W电源参考设计的示例，这是一种采用软开关型态、运行频率约为300kHz的有源钳位反激式设计。对于标准反激式或准谐振反激式设计，缓冲网络处理反激电压。用第二个开关替换缓冲网络，它就变成了一个半桥，能够将频率提高到300kHz。
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图6：一个65W电源参考设计示例。

有源钳位由弗吉尼亚理工大学（Virginia Polytech）于1996年推出，现在的控制IC不仅可以达到很高的功率密度，而且还满足DoE六级要求和欧盟要求。该设计是具有完整USB-PD输出的最小电源，比标准电源具有更高的复杂性和功能，在90V AC输入的最坏情况下可以提供20V输出，其满负载效率超过93％。

图7显示了使用相同拓扑的兆赫设计。这实际上是由弗吉尼亚理工大学CPES研究小组于2016年完成的。这个一兆赫的有源钳位反激设计使用DSP而不是控制IC，以证明满载的频率和功率密度。但在过去，它不可能成为一个行业产品，因为它在轻载情况下效率

不高。现在使用控制IC就可以做到这一点。
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图7：与65W电源相同拓扑结构的兆赫兹电源。

在高频率时要考虑的事情之一就是EMI，可能有一个大约500kHz的临界点，你可以使用一个基于线轴的变压器，或一个基于环形的变压器。如果在500kHz左右使用平面变压器，需要注意一些事情。其一是可以得到尺寸非常小的设计，这有助于提高功率密度。其二是可以获得相同或更低成本的变压器解决方案，因为你不必经历制作整个绕线变压器的额外步骤。

你可以在任何一方进行PCB设计。但在这种设计中，在平面变压器内部，还有一些EMI屏蔽层，因此它可以阻止EMI，或者从源头消除EMI。所以在这种情况下，我们可以得到一个非常非常小的单面EMI滤波器，它符合所有规格。

由于这是一个使用DSP的大学项目，利用新的控制器和新的半桥，我们可以再次缩小这个设计的尺寸。
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图8：缩小后的兆赫兹电源。

现在，在与标准的5W或7W方糖电源相同的空间内，我们可以做到25W。这是使用的是GaN，新的磁性材料，这是日立的ML 91S器件。使用新的拓扑学，以前只是在学术界，现在已经在企业界流行起来，以及可用的控制IC，再集成驱动器和MOSSFET，可以充分利用所有这些来推动性能的进一步提升。