2020全球CEO峰会：用GaN IC重新定义电源转换

shuszhao

分立式氮化镓（GaN）晶体管已投入生产十多年了，目前这项技术已成熟了很多。事实证明，GaN器件比硅功率MOSFET器件具有更高的性能和更低的成本。但是，GaN晶体管现在的优势还仅在于器件本身，未来则可以通过将多个GaN器件集成到单个芯片上，构建完整的电源系统，而发挥更大的优势。
ASPENCORE第三届“全球CEO峰会”于2020年11月5日在深圳召开。本届大会邀请到EPC公司首席执行官Alex Lidow，为我们带来了“Redefining Power Conversion with Gallium Nitride Integrated Circuits”（用GaN IC重新定义电源转换）的主题演讲。下面是他所分享的四个方面：GaN发展的历史背景及其背后的推动力、目前最先进的技术、制造IC的实际方法及其最先进的技术和优势，以及展望未来数年内GaN技术带来的变化。

EPC公司首席执行官Alex Lidow

他表示，氮化镓器件最先被采用的地方，是需要采用快速开关器件的地方，以及基站的包络跟踪，和用于全自动驾驶汽车的激光雷达（但最初只支持三维制图功能）。
而后，随着氮化镓器件性能的提高，人们对这些器件的可靠性和可用性有了更大的信心后，氮化镓器件被用于广阔的全新应用。大约三年前，当氮化镓与功率MOSFET的价格开始相当时，氮化镓器件受到市场广泛采用，特别是用于需要具备更高的可靠性、更低的成本以及更高的性能的功率器件应用领域，包括服务器的DC/DC转换器、新一代机器人和无人机的高功率密度计算机的电机控制器、最高端的D类音频放大器、车载应用和无线电源系统的音频放大器。近来，卫星配电系统也采用氮化镓器件，从而创造了一个非常庞大的全新市场。


GaN性能还有300倍提升空间

图1给出了EPC GaN（eGaN）器件的导通电阻与击穿电压的关系。黑色对角线是功率MOSFET的理论极限值，蓝色对角线是氮化镓器件的理论极限值，紫色圆点显示宜普电源转换公司的前一代器件的性能，绿星代表目前最先进的器件的性能，但与理论极限值还相差300倍。因此，可以预期，未来数年内GaN器件的性能将会迅猛发展并越来越接近蓝色对角线，并且其小型化的理论极限比硅器件要小6000倍！

图1：eGaN器件的导通电阻与击穿电压的关系

图2显示了400V以下的最先进的器件，蓝色椭圆形之内是目前实际投入量产并已经发货的产品。绿色椭圆形内的产品则在2020年第四季度至2021年第一季度之间开发，包括30V~350V的器件且导通电阻范围在数mΩ至数十mΩ之间。

图2：EPC第五代400V以下GaN器件

硅基氮化镓IC是如何制成的？

大约六年前，EPC开始开发第一阶段的IC，最开始是只制造分立式功率器件。如图3（一半）所示，器件的源极、漏极和栅极都在同一表面上。氮化镓层是在标准硅晶圆的顶部生成，可以在标准硅晶圆厂生产。

图3：GaN集成第一阶段

氮化镓器件采用横向设计，所有端子都在同一表面上，并且是半绝缘的，因此可将两个功率器件放在同一块衬底上而不相互影响。把半桥的两个功率器件放到同一裸片的两侧上，就形成半桥IC。
图4是单片式半桥器件，最早的一批于2014年9月推出，最明显的优势是节省了大量空间，此外，还有一个不太明显但却非常重要的优势是，它可以大大降低功率环路电感。

图4：单片式半桥器件

图5给出了降压转换器效率与输出电流的关系——转换器的输入电压为12V、输出电压为1.2V、工作频率高达1MHz。蓝色线代表两个分立式氮化镓晶体管采用硅驱动器驱动，而PCB采用了高效的布局设计。绿色线代表氮化镓半桥器件，其中的两个晶体管具有相同的电阻。但是，当将两个器件集成在一起时，效率高很多。主要的原因有两个：首先是功率环路电感从大约400pH减至大约200pH，当器件的工作频率达到MHz时，效率就不同；第二是对于非对称降压转换器，高侧器件或控制器的运行温度往往比低侧器件高。如果将它们放在同一个芯片上，实际上就可以平衡热量，整体的效果就更好。

图5：降压转换器效率与输出电流的关系

图6显示了功率器件IC第二阶段的发展。对于氮化镓器件，栅极和漏极之间的距离，很大程度上决定了器件可以承受的电压，通过缩短距离可以制造出更小型化的器件。实际上，在同一芯片放置低压逻辑/模拟器件和大功率高压器件非常简单。

图6：GaN集成第二阶段

图7是飞行时间（ToF）IC的最新范例。左边是输入逻辑，右边是MOSFET的驱动器。这个器件在接收逻辑信号后产生非常大的电流和极短的脉冲，从而在飞行时间应用中发射激光。这个例子很好地说明了如何将驱动器和MOSFET集成在同一个芯片上而生成非常强大且快速的IC，而可以采用常规的逻辑门来驱动。

图7：ToF IC范例

图8所显示的粉红色线代表器件的漏极电流，这个脉冲大小为10A，宽度约为1.94ns，上升沿时间为380ps，下降沿时间为525ps。这个器件采用2.1V逻辑信号驱动（以绿色线表示），输入信号到输出之间大约只有1ns的延迟。它可以在100MHz的脉冲频率下工作。

图8：ToF IC性能

GaN IC发展到第三阶段，可以将低压模拟/数字器件与高压功率器件集成在同一芯片上；除了低侧功率器件以外，还可以将高侧器件集成进来；还可以将低压模拟/数字器件放到高侧；然后还可以在其上再集成晶体管而实现电平转换。这样就可以得到单片式功率级。

图9：GaN集成第三阶段

从图10的框图可以看到单片功率级的所有功能。从右边可以看到两个功率MOSFET构成半桥，并各自配备驱动器。高侧进行了电平转换。顶部是同步自举电路，用来产生高侧所需的栅极电压。然后这里面有多个输入逻辑、欠压锁定电路并且将高低侧输入信号接地。因此，简单的数字逻辑信号可以为半桥高低侧供电。这就构成了非常简单的断电逻辑。芯片的尺寸为10mm2，从2020年3月开始投产。它比等效分立器件小35%，如果放置所有分立器件在PCB上，布局就会变得非常拥挤。这种方案与采用分立器件的方案相比元器件数量减少一半。由于包含了输入逻辑和功率输出，因此所需的设计时间要少得多。而且其效率也比预期的要高得多!

图10：集成式功率级框图

图11展示了48V/12V降压转换器采用分立器件和单片式器件在1MHz和2.5MHz工作频率时的效率对比，绿线代表单片功率级，蓝线代表分立式方案——其中分立式方案中所采用的MOSFET的特性与单片IC相同，并且是置于非常高效的布局中，分立驱动器IC也是放置在非常靠近MOSFET的位置。由此可知，单片集成电路的性能明显优于分立器件。

图11：集成式GaN与分立式方案（及MOSFET）对比

原因有3个：
首先，单片式半桥器件降低了功率环路电感。
其次，在同一芯片上将驱动器放在MOSFET的旁边，从而消除了栅极环路电感。
第三，将所有器件放在一起后，形成了一个热导管，这样就可以平衡所有器件的温度，因此平均来说，净温升可以更低。
另外用最好的传统功率MOSFET（用黑色X表示）与之对比，可以发现前者的效率是91%，比单片集成电路的效率低出5%，并且尺寸大很多。这意味着功率损耗降低了超过50%。
图12是双向降压转换器的例子，它由两个单片功率级组成，就是黄圈所示。这一48V/12V、300W的双向降压转换器，具有96%的效率，其功率密度超高——可以放进1/16砖式转换器。

图12：300W双向降压转换器实例

图13是采用功率级构建的电机控制器。这款三相电机控制器的尺寸仅为45mm×55mm。其中用到三个IC（白圈圈出），优点是电机控制器可以实现高得多的开关频率；既可以减小尺寸，又可以减轻重量。此外，它可以减少噪声并实现更高的电机定位精度——对于机器人来说，这点非常重要，因此这种方案在无人机、机器人和电动自行车中非常流行。

图13：500W电机驱动器实例

单片功率级的所有好处包括：
首先，它的元器件数量减少了一半，有时甚至更多。
其次，它缩短了产品从设计到推向市场的时间。过去10年，设计人员在采用分立式氮化镓器件设计时需要花费大量时间才能把产品推向市场——必须设计出非常紧凑的布局，必须找到与这些器件相匹配的IC，必须将逻辑信号转换为栅极驱动信号。
现在没有这些问题了。布局简单，而且驱动具有很好的逻辑输入和功率输出。
当然，还节省了宝贵的占板面积，并节省了由此产生的成本——占板面积成本随着功率转换产品的密度越来越高而变得昂贵。单片功率级不仅价格合理，而且还节省了元器件数量。随着技术的进步，IC当中还会加入电流感应、死区时间控制和更多逻辑以及其他多种功能。


GaN技术发展路线图

从图14的顶部可以看到，现今的分立器件正处于其第五代的技术平台。而对于集成电路，则是从单片半桥器件开始发展到添加了越来越多的功能和特性，进而发展到ToF IC。2020年，EPC第5+代分立器件系列将再次提升性能。与此同时，该公司将会把其在IC方面学习到的所有知识，都应用到ePower单片式功率级IC上，而实现功率IC中最常见的各种功能。

图14：分立式vs集成式GaN发展路线图

未来，分立式器件还将发展到第六代技术，这时距离氮化镓理论极限还有300倍的发展进程，而新一代的多级转换功率级还会具备更多的功能和特性、电流检测、死区时间控制、各种温度和检测功能。
最后，大约四年后，还会将包含闭环在内的所有功能集成到SoC当中。这样，用户只要给出数字逻辑输入信号，就可以得到所规定的功率输出。到时，随着分立器件的集成化，以及功率密度越来越高，焊球及焊条（电流输出引脚）设计将会越来越难。因此就必须再进一步地集成为小型的多芯片、多功能IC。在接下来的3年或4年内，分立式电源转换晶体管将会缓慢淘汰，而设计人员在设计系统时将会采用集成电路。
GaN的发展确实还存在一些挑战：
首先，氮化镓还没有P沟道器件，这使得电路设计更加困难，尤其是不可能制造出良好的CMOS电路。
其次，由于氮化镓技术还处于萌芽期，预先设计的电路单元（circuit block）还较少，因此市面还没有庞大的电路单元库。因此，大多数情况下，设计人员都需要通过自己设计电路来搭建大型系统。这就会花费更长时间，并需要通过技术迭代实现，而且这也对IC设计人员的技能提出更高要求。
第三，分立器件技术也同样会继续快速发展——要谨记，氮化镓技术离其理论极限还有300倍的距离。如果IC平台不能紧随分立技术平台的发展，目前可以从分立式晶体管获得的性能优势，集成电路就暂时无法实现。因此，就需要极快速地开发出工艺设计套件，从而使IC的设计功能自动化。而且，也需要实现技术迭代，才能够满足所需的技术发展速度。


总结

EPC的氮化镓技术发展迅猛。其不断推出新一代的分立器件，成为了新一代更高效、更小型化、成本更低的IC的平台。
GaN IC使产品更易于设计、更小型化、更快、更高效。而随着氮化镓技术的改进，IC就变得至关重要，因为我们无法再从分立式功率器件的输入及输出实现所需的功率密度。但是，如果将多个功率器件集成到功率IC中，则可以实现高很多的功率密度。
凭借这些优势，加上集成电路的成本远低于其能够增加的价值，随着氮化镓技术更趋成熟，分立器件将逐渐被淘汰。
因此，氮化镓技术的崛起，正在重新定义电源转换，而全新的氮化镓集成电路则会为业界带来最大的性能优势。

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这种工艺的确优点很多