专家精讲：功率器件氮化镓的发展趋势及应用
工程师福音，全新领域的功率器件氮化镓，电阻方面可实现更高的输出电流，并且不会增加元件的数量、成本及复杂性并降低功率密度，是不是很炫？到底是如何实现的，将来如何发展？看本文详解！
与硅器件相比，由于氮化镓的晶体具备更强的化学键，因此它可以承受比硅器件高出很多倍的电场而不会崩溃。这意味我们可以把晶体管的各个电端子之间的距离缩短十倍。这样可以实现更低的电阻损耗，以及电子具备更短的转换时间。总的来说，氮化镓器件具备更快速的开关、更低的功率损耗及更低的成本优势。性能优越优越的功率器件必需具备以下6个特性：1）器件需要具备更低的传导损耗、更低的阻抗；2）开关必需更快速并在硬开关应用中如降压转换器具备更低的损耗；3）更低的电容、更少充电及放电损耗；4）驱动器使用更少功率；5）器件更细小(缩小占板面积）及6）因为需要更高输出电流和功率密度而需要更低的热阻。我们为工程师带来可支持意想不到的全新领域的功率器件。在电阻方面，之前我们在DC/DC转换器并联氮化镓场效应晶体管(eGaN FET)从而实现更高的输出电流。可是，这会增加元件的数量、成本及复杂性并降低功率密度。与第二代氮化镓器件相比，第四代eGaN FET可以大大降低阻抗，从而使得基于eGaN FET 的DC/DC转换器具备更大电流及高功率密度。如图1所示，采用第四代30 V 的eGaN FET的转换器的阻抗只是1 mΩ，即降低了阻抗达2.6倍。如果采用第四代100 V的eGaN FET，与第二代100 V的器件相比，阻抗只有2.4 mΩ，即降低了阻抗达2.3倍。
图1：第二代及第四代氮化镓器件的阻抗的比较。
Drain to source：漏源电压
此外，与等效的先进硅功率MOSFET相比，第四代eGaN FET减少硬开关FOM达5倍(200 V器件)、 8倍( 100 V器件)及 4.8倍(40 V器件)，见图2。
图2：第二代及第四代氮化镓器件的硬开关FOM并与硅功率MOSFET的比较。至于封装方面，eGaN FET如果使用MOSFET的传统封装不会比MOSFET更好。如果使用芯片规模封装，结果却截然不同。图3是在PCB板上的一个典型晶体管的截面图。热量主要从两个途径散出：从焊锡接面散进PCB板(如RθJB展示)或从晶体的背部散出(RθJC)，之后，外壳至环境的热阻(RθCA)及电路板至环境的热阻(RθBA)将影响散热效率。虽然eGaN FET比先进的硅MOSFET的体积更小，使得热阻相对于可散热的面积来说应该增加了。然而，eGaN FET的封装具备超低的结点至电路板热阻(RθJB)并与MOSFET的封装的热阻相等。
图3：氮化镓器件的散热效率。Silicon Substrate：硅衬底Active GaN Device Region：活跃氮化镓器件区域最重要的是，eGaN FET可以双面散热从而可以进一步提高其散热效率。至于从结点至外壳(RθJC)的热阻，除了30 V的MOSFET具有与eGaN FET可比的热阻外，在更高压时，eGaN FET具备无可匹敌的散热性能。
电源转换系统可提高效率
图4展示了eGaN FET与先进硅MOSFET模块相比较的电源转换效率，从实验结果可以看到，eGaN FET 12 V转1.2 V、40 A的负载点转换器工作在1MHz开关频率时可实现超过91.5% 效率。此外，一个采用eGaN FET的器件、48 V 转12 V、 40 A的硬开关降压转换器而成为一个非隔离型DC/DC中间总线转换器工作在300 kHz的频率时可以实现超过98%的效率(图5)。
图4：氮化镓器件可以提高DC/DC转换效率。
图5：eGaN FET在更高压的DC/DC转换器可以提高效率。MOSFET Module：MOSFET 模组Loss Reduction：损耗降低Output Current：输出电流Efficiency：效率业界首个氮化镓IC由于减少了需要互相连接2个分立式晶体管的板位，单片式半桥器件IC系列(EPC2100)可缩小占板面积大约 30%，从而缩小整体的系统尺寸，而且，因为速度增加了，因此可以去除功率环路电感。在1 MHz的工作频率下，分立式FET在更大电流下更具优势，这是由于下面的分立式FET具备更低的导通损耗。可是，在4 MHz时，单片式eGaN FET比分立式FET的性能优越很多，这是因为减小了寄生电感，改善了版图及技术(图6）。我们也可以利用更高压的单片式半桥eGaN FET(例如80 V 的EPC2105)高效地实现从48 V转至1 V的单级转换。
图6：工作在4 MHz频率的单片式半桥IC比分立式器件的性能更为优越。Output Current：输出电流Efficiency：效率33% die size reduction：减小了33%的裸片面积Discrete Transistors：分立式晶体管
渗透进广泛的应用中
目前已经有很多应用使用eGaN FET或利用它开发全新应用。有四种应用已经占去潜在市场的一半份额：无线电源传送、LiDAR、包络跟踪及DC/DC 1/8砖式转换器应用。
无线电源传送
全球无线充电市场估计在2018年达100亿美元，CAGR达42.6%！无线电源传送应用采用的标准频率为6.78 MHz，这是由于可用薄薄的线圈及屏蔽。MOSFET在这频率下并不高效，eGaN FET则是这个应用的理想器件。业界领袖包括Qualcomm、Intel、Broadcom、Samsung、Deutche Telecom、Delphi及Witricity组成一个联盟(A4WP)，利用由MIT队伍开发的高度谐振无线电源技术，发展高频无线功率传送标准(6.78 MHz)并把它商用化。目前使用的无线电源传送的应用包括移动电话、游戏控制器、手提电脑、平板电脑、医疗用的植入式仪器及电动汽车。
光学遥感技术
光学遥感技术 (LiDAR)使用镭射脉冲快速形成三维图像或为周围环境制作电子地图。该技术可实现高准确性、覆盖更辽阔幅员及加快收集数据的速度及提高效率，其传统应用包括绘制地图、海岸线管理、地质测量、气象学及探索自然资源等应用。相比日益老化的MOSFET器件，目前氮化镓场效应晶体管的开关速度快十倍，使得LiDAR系统具备优越的解像度及更快速反应时间等优势，由于可实现优越的开关转换，因此可推动更高准确性。这些性能推动全新及更广阔的LiDAR应用领域的出现包括支持电玩应用的侦测实时动作、以手势驱动指令的计算机及自动驾驶汽车等应用(图8）。
图8：采用LiDAR技术的应用。
包络跟踪
当无线传送的数据日益增加，我们需要先进技术把更多的数据bits放进每一个射频频道。这种技术提高功率放大器的峰值/平均功率的比率(PAPR)。包络跟踪技术可以在具有高PAPR比率的系统内使功率放大器实现最高效率。在一个使用包络跟踪的系统内，一个高频DC/DC包络跟踪转换器替代电池或静态DC/DC转换器，从而追踪包络信号，为功率放大器提供所需电压，可提高系统效率高达一倍。实现包络跟踪有很多不同方法但目的相同 -- 使得功率转换器可以在超高频下工作，例如需要20 MHz频带才可以高效地追踪3G信号(图9)。
图9：包络跟踪应用。
隔离式1/8砖式转换器
eGaN FET比先进的硅基MOSFET器件更细且更高效。为了展示它如何实现更高功率密度、更低成本及更高效，我们设计一个全稳压型、隔离式1/8砖式转换器。 该设计是一个基于氮化镓器件、传统硬开关、全稳压型、使用中央抽头次级线圈的全桥式转换器。最好的全稳压型1/8砖式的输出功率为300 W，在满载条件下的效率大约是94.7%。 采用eGaN FET的设计，我们在500 W可实现的满载条件下的效率为96.5%。在气流为400 LFM时，板上最高温度只是100°C，这是变压器。eGaN FET在500 W输出功率时的温度为91°C或更低(图10)。
图10：500 W、1/8砖式转换器的效率。
硅以外的氮化镓新时代
氮化镓器件可以改善其他应用包括提高MRI成像系统的解像度、使得D类音频放大器的成本更低而同时音质可以更高(因为eGaN FET具备快速开关的性能）、更节能的LED照明系统及更轻盈、快速操作的机器人。当氮化镓器件进入硅器件的领域之同时，eGaN技术发展迅猛，可满足工程师的设计需要，提供更高效及性能更优越的器件。该技术被证明为具备优越的散热效率及高可靠性。价格是封阻可替代硅MOSFET器件的氮化镓晶体管的普及化的最后一个壁垒，而目前价格也已经下降。氮化镓器件的性能及更低的成本实现了以前不可能成真的趋势及应用，为半导体业界续写摩尔定律的辉煌。
