宜普电源（EPC）谈GaN功率器件技术及应用（一）：GaN功率器件优势
2019-10-31 08:41:40   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

【编者按】麦姆斯咨询整理了宜普电源转换公司（EPC）首席执行官Alex Lidow公开发表的关于GaN功率器件原理、应用及优势的理解，为读者奉献一系列文章。在本系列文章中，将讨论一些新兴应用如何利用GaN功率器件的优势实现终端产品差异化。

据麦姆斯咨询报道，自2010年硅基氮化镓（GaN-on-Si）低压功率器件商业化以来，已经实现了许多新应用。由于氮化镓（GaN）功率器件具有卓越的开关速度，开拓出激光雷达（LiDAR）、包络跟踪和无线充电等新市场。这些新应用创造了诸多新纪录：强大的供应链、低生产成本和令世人惊叹的可靠性。让保守的设计工程师得到了充分的激励，例如在直流-直流（DC-DC）转换器、交流-直流（AC-DC）转换器和车规测试的评估过程中激发出无数灵感。本文将探讨GaN功率器件被迅速采用的主要因素。

GaN技术：用数据和案例证明的半导体技术

EPC推出的芯片级封装场效应晶体管和集成电路

追溯到2010年，当EPC发布第一款商业产品时，四位主要参与者成功地证明了硅基金属-氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）将被GaN功率器件所取代。随之而来的第一个问题“GaN技术是否能够实现具有重大意义的新应用？”如今，市场上的增强模式氮化镓场效应晶体管（eGaN FET）和集成电路（IC）的性能已优于目前最先进的硅基解决方案的5~10倍。正是因为GaN技术的出现，带来了巨大的性能飞跃，用于自动驾驶的激光雷达、提供更佳体验的增强现实（AR）游戏、提高生产力的仓库自动化和机载无人机等新兴应用才有希望变为现实。GaN技术还有一项鲜为人知的应用：为包络跟踪提供电源，让射频功率放大器的效率提高一倍，而射频功率放大器主要用于快速传输卫星、基站和手机带来的日益庞大的语音和数据。使用eGaN FET和IC的无线充电系统通过较大的充电表面积提供无线充电，无需充电线，可同时为包括手机、笔记本电脑、无线音箱、智能手表、台灯等在内的各种设备供电。

关于新技术的第二个问题是：“它容易使用吗？”相比硅基解决方案，基于GaN的功率转换系统的效率更高、功率密度更大、系统总成本更低。随着GaN持续渗透至各项应用设计中，带动周边生态系统蓬勃发展，促进GaN器件性能不断提高。如今，现有生态系统已不是GaN器件的设计限制因素，设计师有越来越多的栅极驱动器、控制器和无源元件选择。还应注意的是，拥有GaN功率器件或辅助元器件业务的公司几乎都享受着销售业绩每月增长的“甜蜜”，包括GaN Systems、Navitas Semiconductor、Texas Instruments（德州仪器）、Panasonic（松下）和On Semiconductor（安森美）等公司。

客户对新技术的第三个疑问：“成本是不是真的降低很多？”设计师可能会对使用GaN技术取代硅基功率MOSFET带来的系统性能提高而感到高兴。但新技术如果不具有成本竞争优势，甚至价格更低，则难以通过采购部门的“关卡”。2015年5月，EPC推出的GaN产品与MOSFET的电压、导通电阻表现相近，但已冲破价格“关卡”。带来这种变化的主要原因有：（1）需求量已经达到了规模经济的程度；（2）GaN晶体管芯片尺寸是MOSFET的三分之一到五分之一；（3）EPC的eGaN FET以芯片级封装提供，减少与封装相关的成本（硅基MOSFET的成本高50%甚至更多）。

第四个疑问：“可靠性如何？”客户对GaN器件制造商提供的产品进行大量的可靠性测试，包括EPC、GaN Systems、松下和Transphorm的产品。实际测试结果证明其不仅能通过当初为硅基MOSFET制定的JEDEC测试标准，Transphorm和EPC的产品还通过了更为严格的车规级认证标准AEC Q101。此外，EPC的eGaN FET和IC采用芯片级封装，不会出现传统MOSFET封装技术固有的可靠性失效机理。实际应用得到的数据则是可靠性的有力证明，在过去四年中EPC跟踪了客户端超过300亿小时的应用，只有3颗器件出现了失效。这对硅基功率MOSFET来讲，是难以达到的记录！　

GaN技术：在各种主流应用中逐渐被接受和认可

GaN技术已经具备满足取代硅基功率解决方案的实力：使能新应用，并帮助新应用发展出强大的生态系统，降低生产成本，创造卓越的可靠性记录。本系列文章将讨论GaN技术如何在大规模应用中发挥作用。

EPC推出的GaN功率模块：EPC9205

在本系列文章中，首先讨论的是传统应用，旨在让读者了解如何使用eGaN FET和IC为高性能计算和电信应用提供尺寸最小、效率最高的48V~12V的DC-DC转换器。本文将展示一款基于GaN的功率模块，作为同步buck转换器，在输入电压为48V，输出电压为12V、负载电流为10A时，如何产生1400W/in³的功率密度。这种设计能够产生5V~12V的输出电压，每相输出电流14A。此解决方案非常适合于高密度计算应用，如多用户游戏系统、自动驾驶汽车、人工智能和加密货币挖掘。

在接下来的文章中，将分析激光雷达（LiDAR）系统中常用的超高速、高功率的GaN激光驱动器。激光雷达系统被用于诸如自动驾驶汽车、无人机、机器人以及家庭和工业安全系统等应用中。上述应用需要大电流、窄脉冲来达到一定的距离分辨率——脉冲短至几纳秒甚至更短。GaN技术的卓越性能、芯片级封装带来的超低电感优势，使eGaN FET和IC成为脉冲激光驱动器的理想开关。

安装有激光雷达的车辆

该系列将进一步研究讨论GaN技术为医学界带来的变革：如何为外科机器人带来精确的控制能力。在许多情况下，需要对患者进行微创手术，机器人辅助手术提高了手术的精确度。机器人手术使用超可靠、高性能无刷（BLDC）马达驱动系统控制多个紧凑型手术臂。手术系统对马达的要求是高效率、最小振动和精确控制。与传统的MOSFET解决方案相比，eGaN FET和IC以更小的尺寸，提供了更高的效率和精确的电机控制，不失为医学应用的理想选择。

在第五篇文章中，将介绍一种低成本、高效率的12V-1V负载点（POL）转换器设计。本文将展示一款基于GaN的功率模块，被配置为同步Buck转换器，可以产生1000W/in³的功率密度，每相输出12A。这种高功率密度特性是高性能计算、加密货币挖掘和电信应用的理想选择。

EPC推出的GaN功率模块：EPC9204

本系列的最后一篇文章将展望GaN技术的发展方向。值得关注的是，虽然GaN技术在短短几年内取得了许多进展，但离理论性能极限还相距甚远，基本器件性能仍有很大的提升空间。然而，GaN技术之所以影响功率转换系统性能，来自于其能够在同一块衬底上集成功率级和信号级器件的固有能力。随着时间的推移，硅基氮化镓（GaN-on-Silicon）的性能和成本优势将促进目前使用硅基MOSFET的大部分应用“移情别恋”，选择尺寸更小、速度更快、成本更低和性能更可靠的GaN技术。

延伸阅读：

《功率GaN：外延、器件、应用及技术趋势-2018版》

《适用于激光雷达的GaN增强型场效应管：EPC2040》

《功率模块封装产业现状-2019版》

《汽车电子封装技术及市场趋势-2018版》

推荐会议：

2019年12月19日，麦姆斯咨询将在深圳举办『第二十八届“微言大义”研讨会：激光雷达技术及应用』，同期展会为2019深圳国际电子展、深圳国际未来汽车及技术展。目前已邀请北醒光子、力策科技、速腾聚创、镭神智能、北科天绘、光珀智能等领先的激光雷达厂商展示2019年成果，同时也邀请EPC、ams、滨松、II-VI、炬佑智能、Lumentum、ADI、中山大学等单位剖析激光雷达核心技术及元器件！

会议官网及报名：https://www.MEMSeminar.com/28/

研讨会还剩少量演讲席位，请联系：
会议招商组
联系人：麦姆斯咨询 郭蕾
电话：13914101112
E-mail：GUOLei@MEMSConsulting.com