【導讀】工程師福音，全新領域的功率器件氮化鎵，電阻方面可實現(xiàn)更高的輸出電流，并且不會增加元件的數(shù)量、成本及復雜性并降低功率密度，是不是很炫？到底是如何實現(xiàn)的，將來如何發(fā)展？看本文詳解！
與硅器件相比，由于氮化鎵的晶體具備更強的化學鍵，因此它可以承受比硅器件高出很多倍的電場而不會崩潰。這意味我們可以把晶體管的各個電端子之間的距離縮短十倍。這樣可以實現(xiàn)更低的電阻損耗，以及電子具備更短的轉換時間。總的來說，氮化鎵器件具備更快速的開關、更低的功率損耗及更低的成本優(yōu)勢。
性能優(yōu)越
優(yōu)越的功率器件必需具備以下6個特性：1）器件需要具備更低的傳導損耗、更低的阻抗；2）開關必需更快速并在硬開關應用中如降壓轉換器具備更低的損耗；3）更低的電容、更少充電及放電損耗；4）驅動器使用更少功率；5）器件更細小(縮小占板面積）及6）因為需要更高輸出電流和功率密度而需要更低的熱阻。
我們?yōu)楣こ處煄砜芍С忠庀氩坏降娜骂I域的功率器件。在電阻方面，之前我們在DC/DC轉換器并聯(lián)氮化鎵場效應晶體管(eGaN FET)從而實現(xiàn)更高的輸出電流。可是，這會增加元件的數(shù)量、成本及復雜性并降低功率密度。與第二代氮化鎵器件相比，第四代eGaN FET可以大大降低阻抗，從而使得基于eGaN FET 的DC/DC轉換器具備更大電流及高功率密度。如圖1所示，采用第四代30 V 的eGaN FET的轉換器的阻抗只是1 mΩ，即降低了阻抗達2.6倍。如果采用第四代100 V的eGaN FET，與第二代100 V的器件相比，阻抗只有2.4 mΩ，即降低了阻抗達2.3倍。
圖1：第二代及第四代氮化鎵器件的阻抗的比較。
Drain to source：漏源電壓
此外，與等效的先進硅功率MOSFET相比，第四代eGaN FET減少硬開關FOM達5倍(200 V器件)、 8倍( 100 V器件)及 4.8倍(40 V器件)，見圖2。
圖2：第二代及第四代氮化鎵器件的硬開關FOM并與硅功率MOSFET的比較。
至于封裝方面，eGaN FET如果使用MOSFET的傳統(tǒng)封裝不會比MOSFET更好。如果使用芯片規(guī)模封裝，結果卻截然不同。圖3是在PCB板上的一個典型晶體管的截面圖。熱量主要從兩個途徑散出：從焊錫接面散進PCB板(如RθJB展示)或從晶體的背部散出(RθJC)，之后，外殼至環(huán)境的熱阻(RθCA)及電路板至環(huán)境的熱阻(RθBA)將影響散熱效率。雖然eGaN FET比先進的硅MOSFET的體積更小，使得熱阻相對于可散熱的面積來說應該增加了。然而，eGaN FET的封裝具備超低的結點至電路板熱阻(RθJB)并與MOSFET的封裝的熱阻相等。
圖3：氮化鎵器件的散熱效率。
Silicon Substrate：硅襯底
Active GaN Device Region：活躍氮化鎵器件區(qū)域
最重要的是，eGaN FET可以雙面散熱從而可以進一步提高其散熱效率。至于從結點至外殼(RθJC)的熱阻，除了30 V的MOSFET具有與eGaN FET可比的熱阻外，在更高壓時，eGaN FET具備無可匹敵的散熱性能。
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電源轉換系統(tǒng)可提高效率
圖4展示了eGaN FET與先進硅MOSFET模塊相比較的電源轉換效率，從實驗結果可以看到，eGaN FET 12 V轉1.2 V、40 A的負載點轉換器工作在1MHz開關頻率時可實現(xiàn)超過91.5% 效率。此外，一個采用eGaN FET的器件、48 V 轉12 V、 40 A的硬開關降壓轉換器而成為一個非隔離型DC/DC中間總線轉換器工作在300 kHz的頻率時可以實現(xiàn)超過98%的效率(圖5)。
圖4：氮化鎵器件可以提高DC/DC轉換效率。
圖5：eGaN FET在更高壓的DC/DC轉換器可以提高效率。
MOSFET Module：MOSFET 模組
Loss Reduction：損耗降低
Output Current：輸出電流
Efficiency：效率
業(yè)界首個氮化鎵IC
由于減少了需要互相連接2個分立式晶體管的板位，單片式半橋器件IC系列(EPC2100)可縮小占板面積大約 30%，從而縮小整體的系統(tǒng)尺寸，而且，因為速度增加了，因此可以去除功率環(huán)路電感。在1 MHz的工作頻率下，分立式FET在更大電流下更具優(yōu)勢，這是由于下面的分立式FET具備更低的導通損耗?？墒牵? MHz時，單片式eGaN FET比分立式FET的性能優(yōu)越很多，這是因為減小了寄生電感，改善了版圖及技術(圖6）。我們也可以利用更高壓的單片式半橋eGaN FET(例如80 V 的EPC2105)高效地實現(xiàn)從48 V轉至1 V的單級轉換。
圖6：工作在4 MHz頻率的單片式半橋IC比分立式器件的性能更為優(yōu)越。
Output Current：輸出電流
Efficiency：效率
33% die size reduction：減小了33%的裸片面積
Discrete Transistors：分立式晶體管
滲透進廣泛的應用中
目前已經(jīng)有很多應用使用eGaN FET或利用它開發(fā)全新應用。有四種應用已經(jīng)占去潛在市場的一半份額：無線電源傳送、LiDAR、包絡跟蹤及DC/DC 1/8磚式轉換器應用。
無線電源傳送
全球無線充電市場估計在2018年達100億美元，CAGR達42.6%！無線電源傳送應用采用的標準頻率為6.78 MHz，這是由于可用薄薄的線圈及屏蔽。MOSFET在這頻率下并不高效，eGaN FET則是這個應用的理想器件。業(yè)界領袖包括Qualcomm、Intel、Broadcom、Samsung、Deutche Telecom、Delphi及Witricity組成一個聯(lián)盟(A4WP)，利用由MIT隊伍開發(fā)的高度諧振無線電源技術，發(fā)展高頻無線功率傳送標準(6.78 MHz)并把它商用化。目前使用的無線電源傳送的應用包括移動電話、游戲控制器、手提電腦、平板電腦、醫(yī)療用的植入式儀器及電動汽車。
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光學遙感技術
光學遙感技術 (LiDAR)使用鐳射脈沖快速形成三維圖像或為周圍環(huán)境制作電子地圖。該技術可實現(xiàn)高準確性、覆蓋更遼闊幅員及加快收集數(shù)據(jù)的速度及提高效率，其傳統(tǒng)應用包括繪制地圖、海岸線管理、地質測量、氣象學及探索自然資源等應用。相比日益老化的MOSFET器件，目前氮化鎵場效應晶體管的開關速度快十倍，使得LiDAR系統(tǒng)具備優(yōu)越的解像度及更快速反應時間等優(yōu)勢，由于可實現(xiàn)優(yōu)越的開關轉換，因此可推動更高準確性。這些性能推動全新及更廣闊的LiDAR應用領域的出現(xiàn)包括支持電玩應用的偵測實時動作、以手勢驅動指令的計算機及自動駕駛汽車等應用(圖8）。
圖8：采用LiDAR技術的應用。
包絡跟蹤
當無線傳送的數(shù)據(jù)日益增加，我們需要先進技術把更多的數(shù)據(jù)bits放進每一個射頻頻道。這種技術提高功率放大器的峰值/平均功率的比率(PAPR)。包絡跟蹤技術可以在具有高PAPR比率的系統(tǒng)內(nèi)使功率放大器實現(xiàn)最高效率。在一個使用包絡跟蹤的系統(tǒng)內(nèi)，一個高頻DC/DC包絡跟蹤轉換器替代電池或靜態(tài)DC/DC轉換器，從而追蹤包絡信號，為功率放大器提供所需電壓，可提高系統(tǒng)效率高達一倍。實現(xiàn)包絡跟蹤有很多不同方法但目的相同 -- 使得功率轉換器可以在超高頻下工作，例如需要20 MHz頻帶才可以高效地追蹤3G信號(圖9)。
圖9：包絡跟蹤應用。
隔離式1/8磚式轉換器
eGaN FET比先進的硅基MOSFET器件更細且更高效。為了展示它如何實現(xiàn)更高功率密度、更低成本及更高效，我們設計一個全穩(wěn)壓型、隔離式1/8磚式轉換器。 該設計是一個基于氮化鎵器件、傳統(tǒng)硬開關、全穩(wěn)壓型、使用中央抽頭次級線圈的全橋式轉換器。最好的全穩(wěn)壓型1/8磚式的輸出功率為300 W，在滿載條件下的效率大約是94.7%。 采用eGaN FET的設計，我們在500 W可實現(xiàn)的滿載條件下的效率為96.5%。在氣流為400 LFM時，板上最高溫度只是100°C，這是變壓器。eGaN FET在500 W輸出功率時的溫度為91°C或更低(圖10)。
圖10：500 W、1/8磚式轉換器的效率。
硅以外的氮化鎵新時代
氮化鎵器件可以改善其他應用包括提高MRI成像系統(tǒng)的解像度、使得D類音頻放大器的成本更低而同時音質可以更高(因為eGaN FET具備快速開關的性能）、更節(jié)能的LED照明系統(tǒng)及更輕盈、快速操作的機器人。
當?shù)壠骷M入硅器件的領域之同時，eGaN技術發(fā)展迅猛，可滿足工程師的設計需要，提供更高效及性能更優(yōu)越的器件。該技術被證明為具備優(yōu)越的散熱效率及高可靠性。價格是封阻可替代硅MOSFET器件的氮化鎵晶體管的普及化的最后一個壁壘，而目前價格也已經(jīng)下降。氮化鎵器件的性能及更低的成本實現(xiàn)了以前不可能成真的趨勢及應用，為半導體業(yè)界續(xù)寫摩爾定律的輝煌。
