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基于GaN芯片的電源轉換方案設計

電子設計 ? 2021-05-26 15:50 ? 次閱讀

作者:Alex Lidow,Michael de Rooij,Andreas Reiter

氮化鎵(GaN)功率器件已投入生產10多年,除了性能和成本方面的改進外,GaN技術具有將多個器件集成在同一襯底上的本征特性,這將極有可能給電源轉換市場帶有巨大影響。這種能力將使單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個芯片上進行設計。

基于GaN的芯片已經歷了集成的各個階段,從單純的分立式器件到單片式半橋器件,再到包含單片集成驅動器的功率FET。最近又發展到單片式電源階段,集成了功率FET、驅動器、電平轉換電路、邏輯模塊和保護功能。

第一階段:單片式半橋

大約六年前,宜普電源轉換公司(EPC)開始了單片式半橋集成的第一階段。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構建模塊。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襯底上。集成的優勢包括尺寸上的減小和成本上的降低,并且由于兩個晶體管的緊密耦合,寄生共源電感也被降低了。并且,提高開關速度這一優點使開關電源轉換系統更快,更高效。

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

圖2比較了降壓轉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。藍線表示兩個GaN分立晶體管,利用非常高效的PCB布線,由硅驅動器驅動的結果。綠線代表單片式半橋器件的性能表現。

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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(藍線)和GaN單片半橋(綠線)的性能表現比較。

基于多種原因,單片式方案的效率要高得多。第一個原因是,電源環路電感已從約400 pH減小到約200 pH的范圍,而當以兆赫茲工作時,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,上橋器件或控制器件的運行溫度往往比下橋器件高。當這兩個器件在同一芯片上時,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,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,通過縮小該距離,可以制造出更小的器件,這也使得非常簡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。

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

圖3下方展示了ToF IC中eGaN FET以及驅動器集成的示例。在芯片的上方,可以看到帶有輸入邏輯的電路以及驅動器。在下方,可以看到輸出FET。該器件將獲取邏輯信號,并發出很高的電流和非常非常短的脈沖,可在ToF激光雷達應用中發射激光。這是一個很好的例子,說明了如何將驅動器和GaN場效應晶體管集成在一個芯片上,以生成功能強大、速度非常快的可被常規邏輯門驅動的IC。

圖4顯示了這種集成的結果。圖中的粉紅色線代表通過器件的漏極電流。它顯示了一個10 A的脈沖,其寬度約為1.94 ns,上升時間為380 ps,下降時間為525 ps。當2.1 V的邏輯輸入信號(綠線)輸入設備時,輸入信號和輸出之間會有大約1 ns的延遲。這其實非常快了!該器件可以從容地以100 MHz的脈沖頻率運行。

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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,驅動功能和單片半橋與電平轉換器、同步升壓電路、保護和輸入邏輯一起集成在一個硅基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動,并由一個簡單的下橋CMOS IC控制,并且只需添加幾個無源元件就可以構成一個完整的直流穩壓器。與分立式方案相比,該解決方案在尺寸上小了35%,元件的數量減少了一半。集成的電源所需的設計時間要少得多,因為它只是簡單的邏輯輸入和電源輸出。

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圖5:eGaN集成電源的橫截面圖。

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圖6:ePower 電源EPC2152的芯片裸片圖。

圖7展示了在一個48 – 12 降壓轉換器中,這種單片式電源(如圖5和6所示)在1 MHz和2.5 MHz下工作時的效率。綠線表示單片電源的效率,藍線表示使用FET分立式實現的效率(具有與單片IC相同的特性,并使用了非常高效的布線,將分立驅動器IC放置在非常靠近FET的位置)。圖中的實線表示器件在1 MHz頻率下工作,并且單片IC的性能明顯優于分立式實現方案。

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圖7:在一個 48 V輸入,12 V輸出的降壓轉換器中,以1 MHz(實線)和2.5 MHz(虛線)頻率工作的 GaN分立(藍線)和GaN單片半橋(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,通過單片半橋設計,可顯著降低電源環路電感。其次,通過將驅動放在距離FET非常近的同一芯片上,可以消除柵極環路電感。最后,將所有這些元件放在一起將形成一個“熱浴盆”,可以均勻所有器件的溫度,因此產生一個平均較低的凈溫度。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。黑色X代表老化的MOSFET在此應用中可以達到的最佳性能。

除了ToF示例外,如圖8所示,集成電源已經在三相電機驅動應用中進行了測試。該應用的優勢在于能夠為電機驅動提供更高的開關頻率,從而減小了尺寸(此方案僅為45mm 55mm)、減輕了重量、降低了聽得見的噪音,并提供了更高的電機定位精度。電機的定位對于許多機器人裝備至關重要。

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圖8:使用ePower Stage EPC2152的500 W三相電機驅動電路的照片(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頂部所示,EPC正處在分立式平臺中第“5+”代。如圖9底部所示,集成電路從單片式半橋開始,隨后進行擴展,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器電阻器和橫向n溝道FET。后來很快又包含了電流和溫度在內的其它傳感器件,以及諸如基準電壓源、比較器運算放大器的電路模塊,從而在單個芯片上構建集成的控制器和輸出級。還可以集成多級拓撲,以便用低電壓電源器件實現較高的輸入電壓。

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圖9:GaN技術分立和集成開發的路線圖。

幾年之后,分立技術將與集成電路融合。隨著分立式元件獲得越來越高的電源密度,它們將不再可能從器件的凸塊結構中抽取電流。因此,小型的,多芯片的,多功能的集成電路將會是必要的。在未來的三到四年內,電源轉換中的分立式晶體管將逐漸過時,設計人員在構建電源系統時將選擇集成解決方案。

集成的挑戰

在實現完整的GaN片上系統解決方案之前,還需要克服一些挑戰。首先,GaN中還沒有p溝道器件,這使得電路設計更加困難,尤其是可能無法制造出好的CMOS電路。其次,預先設計的電路模塊更少。

GaN是一種相對較新的技術,因此沒有龐大的電路模塊庫可以簡單地被“剪切和粘貼”使用。缺少電路模塊庫使得設計階段更長,因為設計過程需要更多的迭代,并且需要IC設計人員具有更高的技術水平。第三,分立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。

如果集成電路(IC)平臺的增長不能迅速跟上分立平臺的發展,那么IC將無法產出分立晶體管現在還具有的性能優勢。因此,克服這些挑戰需要極速開發工藝設計套件,以實現IC功能設計的自動化以及設計套件的迭代,用來與快速的技術發展步伐保持同步。

總結

隨著新一代分立式器件的推出,eGaN技術正在迅速發展,這已成為新一代高效、小尺寸和低成本集成電路的平臺。 GaN集成電路可使產品更小、更快、更高效,且更易于設計。 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集成電路產生巨大的影響!

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測量功率器件的結溫常用的方法

測量功率器件的結溫常用二種方法
發表于 03-17 07:00 ? 101次 閱讀
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如何去測量功率器件的結溫?

測量和校核開關電源、以及一些電力電子變換器的結溫,如 MOSFET 或 IGBT 的結溫,是一個不可或缺的過程,功率器件的結...
發表于 03-11 07:53 ? 0次 閱讀
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GaN為何這么火?原因是什么

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發表于 03-11 06:47 ? 101次 閱讀
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GaN充電器的兩種接法有什么區別

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發表于 03-11 06:28 ? 101次 閱讀
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