氮化鎵 (GaN) 功率器件已經生產超過 10 年，除了性能和成本改進之外，GaN 技術影響功率轉換市場的最重要機會來自于在同一襯底上集成多個器件的內在能力. 這種能力將允許以更直接、更高效率和更具成本效益的方式在單個芯片上設計單片電源系統。

基于 GaN 的 IC 經歷了不同的集成階段，從純分立器件到單片半橋器件，再到包含自己的單片集成驅動器的功率 FET，以及最近的包含功率 FET、驅動器、電平轉換電路、邏輯和保護。

第一階段：單片半橋

大約六年前，EPC 開始了與單片半橋集成的第一階段。這第一步的令人信服的原因是半橋是電源轉換中最常用的構建塊。第一個 IC 器件將高側和低側晶體管都放在一個基板上，如圖 1 所示。集成的優點包括尺寸和成本的降低，并且由于兩個晶體管的緊密耦合，寄生共源電感也減少了。此外，提高開關速度的優勢可以實現更快、更高效的開關電源轉換系統。

圖 1：（左）集成半橋的橫截面圖和（右）30 V – 100 V 對稱和非對稱半橋選擇的裸片圖像

圖 2 比較了降壓轉換器中分立器件與單片半橋器件的性能，輸入電壓為 12 伏，輸出電壓為 1.2 伏，工作頻率為 1 MHz。藍線代表兩個 GaN 分立晶體管由硅驅動器以非常有效的 PCB 板布局驅動的結果。綠線代表單片半橋器件的性能。?

圖 2：在 1 MHz 下運行的 12 V 輸入、12 V 輸出降壓轉換器中的 GaN 分立（藍線）和 GaN 單片半橋（綠線）的性能比較。

由于多種原因，單片解決方案的效率要高得多。第一個原因是電源回路電感已從大約 400 pH 降低到大約 200 pH 范圍，并且在以兆赫茲操作時，這會產生顯著影響。第二個原因是在非對稱降壓轉換器中，高端設備或控制設備往往比低端設備運行得更熱。當這兩個器件一起在同一芯片上時，它們在熱上相互平衡，可以實現更低的峰值溫度和更好的整體效率。

第二階段：eGaN? FET Plus 驅動器

在氮化鎵中，柵極和漏極之間的距離在很大程度上決定了器件能夠承受的電壓。通過縮小該距離，可以制造出更小的器件，這還可以將非常簡單的低電壓邏輯和模擬器件與高功率、高電壓器件放置在同一芯片上，如圖 3 所示。

圖 3：（左）集成 eGaN FET 和驅動器的橫截面圖（右）飛行時間 eGaN FET 和驅動器 IC 的裸片圖像。

圖 3b 顯示了?在飛行時間 (ToF) IC 中集成eGaN FET 和驅動器的示例。在芯片的左側，可以看到帶有輸入邏輯的電路以及用于 FET 的驅動器。在右側，可以看到輸出 FET。該設備將接收一個邏輯信號并發出非常高的電流和非常短的脈沖，以在飛行時間激光雷達應用中發射激光。這是一個很好的例子，說明如何在一個芯片上集成驅動器和 GaN 場效應晶體管，生成一個非常強大和非常快速的 IC，可以從常規邏輯門驅動。

圖 4 顯示了這種集成的結果。圖中的粉紅色線顯示了通過器件的漏極電流。它顯示了一個 10 安培脈沖，寬度約為 1.94 納秒，上升時間為 380 皮秒，下降時間為 525 皮秒。當 2.1 V 邏輯輸入信號（綠線）啟用設備時，輸入信號和輸出之間大約有 1 納秒的延遲。這速度太快了！該設備可以在 100 兆赫的脈沖頻率下舒適地運行。

圖 4：單脈沖波形 2.1 V 邏輯電平輸入。黃色軌跡是輸入 (1 V/div)，粉色線是漏極電流（5 V/div 或 2.5 A/div）。

第三階段：ePower? 階段

2019 年初，驅動器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被合并到單個硅基 GaN 襯底上，如圖 5 所示。該器件的照片是如圖 6 所示。這個完整的功率級 ePower? 級可以以數兆赫茲的頻率驅動，并由一個簡單的低側 CMOS IC 控制，只需添加幾個無源元件，就可以成為一個完整的 DC-DC調節器。與分立實施方案相比，該解決方案小 35%，組件數量減少一半。集成功率級需要的設計時間要少得多，因為這只是邏輯輸入和輸出。

圖 5：eGaN 集成功率級的橫截面圖

圖 6：EPC2152、ePower? Stage 的芯片圖像

圖 7 顯示了該單片功率級（如圖 5 和圖 6 所示）在 1 MHz 和 2.5 MHz 下在 48 V IN – 12 V OUT降壓轉換器中的效率。綠線表示單片功率級的效率，藍線表示分立實現的效率，使用與單片 IC 具有相同特性的 FET，并利用非常有效的布局，將分立驅動器 IC 放置在非常靠近場效應晶體管。圖中的實線為 1 MHz，單片 IC 的性能明顯優于分立實現。

圖 7：在 1 MHz（實線）和 2.5 MHz（虛線）下運行的 48 V 輸入、12 V 輸出降壓轉換器中 GaN 分立（藍線）和 GaN 單片半橋（綠線）的性能比較。1MHz 時同類最佳的 MOSFET 性能，用黑色 X 表示。

單片功率級的更高性能有三個原因。首先，通過制作單片半橋顯著降低了功率回路電感。其次，通過將驅動器放在非常靠近 FET 的同一芯片上，消除了柵極環路電感。最后，通過將所有這些組件放在一起，創建了一個熱浴盆來平衡所有設備的溫度，因此平均而言，凈溫度較低。圖中的虛線是 2.5 MHz 下的相同設備。黑色 X 代表老化功率 MOSFET 在此應用中可達到的最佳性能。?

除了飛行時間示例外，集成功率級已在三相電機驅動應用中進行測試，如圖 8 所示。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（該解決方案僅為 45 毫米 x 55 毫米），減輕了重量，降低了可聞噪音，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實現至關重要。

圖 8：使用 EPC2152、ePower? Stage（圓圈）的 500 W 三相電機驅動電路的照片。

氮化鎵的未來

圖 9 顯示了正在進行的 eGaN 技術之旅的總結。EPC 是其分立平臺的“第五代加號”，如圖 9 的頂部欄所示。對于集成電路，從單片半橋開始后來擴展到添加更多功能和特性，如圖 9 的底部欄所示圖 9。?

上一節中討論的單片功率級 IC 執行與基于硅 MOSFET 的多芯片 DrMOS 模塊相同的所有基本功能，但電壓更高，開關速度更快，占用空間更小，成本更低。這些第一代功率級僅包括電容器、電阻器和橫向 n 溝道 FET。很快，額外的電流和溫度感測可以與參考、比較器和運算放大器等電路塊一起包含在內，以在單個芯片上構建集成控制器和輸出級。還可以集成多級拓撲，從而以較低電壓的功率器件實現較高的輸入電壓。

圖 9：GaN 技術分立和集成開發路線圖

幾年后，分立技術與集成電路的融合將會發生。隨著分立器件實現越來越高的功率密度，將不再可能從器件上的凸塊和條中提取電流。因此，集成到小型、多芯片、多功能集成電路中將是必要的。在接下來的三到四年內，電源轉換中的分立晶體管可能會慢慢過時，集成解決方案將成為設計人員在構建電源系統時選擇的組件。

整合的挑戰

在實現完整的 GaN 片上系統解決方案之前，還存在一些挑戰。首先，氮化鎵中還沒有 p 溝道器件，這使得電路設計變得更加困難。尤其是制作好的CMOS電路是不可能的。其次，預先設計的電路塊較少。

GaN 是一種相對較新的技術，因此沒有一個龐大的電路塊庫，可以簡單地“剪切和粘貼”來制造在第一次通過就可以工作的大型系統。電路塊庫的缺乏使得設計階段比純預先設計的電路塊更長，因為設計過程需要更多的迭代，并且 IC 設計人員的技能水平更高。第三，分立技術持續快速發展，GaN距離其理論性能極限還有300倍的距離。

如果IC平臺的增長不能快速跟隨分立平臺，IC將無法產生分立晶體管仍然可以實現的性能優勢。因此，克服這些挑戰所需的是實現 IC 設計功能自動化的工藝設計套件的極速開發，以及與快速技術發展步伐保持同步的設計套件的迭代。

審核編輯：劉清