在單個 GaN 芯片中結合多種電力電子功能的功率 IC 將在全球電氣化中發揮重要作用。

　　來自 WISE INTEGRATION 的 GERALD AUGUSTONI、PLINIO BAU、DOMINIQUE BERGOGNE、FLORIAN COUVIN 和 RYM HAMOUMOU

　　電源轉換系統是大多數電子設備的核心，從家用電器和筆記本電腦到數據中心和電動汽車。在其中一些應用中，GaN 技術很快將成為必不可少的技術，因為硅作為功率轉換平臺已達到其物理極限。

　　除了提高功率轉換級的效率外，GaN 還具有其他優點。它們源于其出色的物理特性，例如：3.2 eV 的帶隙，幾乎是硅的三倍；擊穿場強為 3.3 MV/cm，約為硅的十倍。這些優勢有助于實現導通電阻和關鍵品質因數（導通電阻與芯片表面積的乘積）的出色值。GaN 器件可以提供高電流、高擊穿電壓和高開關頻率，并在工作電壓高達 650 V 的電源應用中與電流 MOSFET 和超級結 MOSFET 競爭。

　　傳統上，電源設計人員使用分立晶體管和許多外部元件（如驅動器、電平轉換器、傳感器、自舉電路和外圍設備）構建半橋電路，用于電源轉換系統。通過將分立的 GaN 器件（而不是那些由硅制成的器件）與其他組件相結合，可以實現改進。然而，有比這更好的方法——我們在法國的 Wise Integration 正在追求的方法。我們的團隊成立于 2020 年，是 GaN 功率 IC 的先驅，它將多種功率電子功能結合在單個 GaN 芯片中。通過集成，我們正在提高速度、效率、可靠性和成本效益。

　　更靈活的適配器

　　在過去十年中，主要 OEM 廠商投入了大量精力來制造功能最強大的智能手機、最薄的筆記本電腦和最大的電視。這一趨勢的共同因素是對電力的需求不斷增長，以實現每秒共享大量數據。

　　不幸的是，原始設備制造商并沒有過多關注放置在其產品旁邊的適配器。這導致依賴于硅晶體管的笨重、笨重、低效的電源。但這種情況正在開始改變。

　　早在 2019 年，GaN 技術就滲透到了消費市場，最初是在 30-100 W 適配器中。從那時起，這種寬帶隙技術得到了廣泛傳播，并發展成為下一代電源轉換選項。如今，大多數移動設備制造商都承認適配器是等式的一部分，移動性要求它們緊湊輕便，以符合他們的主要產品策略。電源現在正成為產品不可或缺的一部分。

　　功率密度是 GaN 的主要“驅動力”，而效率對于滿足 100 W 至 3 kW 的 AC-DC/DC-DC 電源的新需求變得越來越重要，尤其是對于數據中心行業。對于這個特定市場，在相同的外形尺寸下需要更高的功率才能達到高水平的效率。

　　GaN 在 2022 年表現出色。隨著越來越受歡迎，它變得具有成本競爭力，不斷擴大的需求促使多家全球代工廠增加 GaN 生產線。在系統層面，AC-DC 模擬控制器很快就會“兼容 GaN”。然而，它們的 GaN 功能不會得到充分利用，因為它們仍在低頻下切換。

　　現在是 GaN 行業開始克服這一限制并提供下一個巨大能量和功率提升的時候了。這可能來自分立式 GaN 器件向 GaN IC 的轉變，后者在系統級提高了效率，并導致材料成本比傳統的硅基電源更具競爭力。

　　圖 2. 由同一封裝中的低側和高側功率開關組成的集成半橋晶體管。

　　GaN IC 設計

　　為了實現這一愿景，我們一直在使用不同的形狀因數和金屬化策略制作不同的 HEMT 原型。我們的工作涉及使用多項目晶圓為 100 W 至 1 kV 應用建模和設計 GaN 晶體管。這些調查借鑒了法國微電子研究所 CEA-Leti 的專業知識。通過這次合作，我們為大規模生產打下了堅實的基礎。

　　在我們構建的所有多項目晶圓和原型中，我們開展了專注于功率晶體管布局拓撲的研發項目。從矩陣金屬化到梳狀金屬化，我們發現了影響性能參數的金屬路徑的寄生貢獻，導致寄生電容、導通電阻和柵極內阻的不同值。我們發現布局圖中的焊盤定位會影響由鍵合線引起的寄生導通電阻，以及由金屬方塊計算的電流和金屬電阻的分布。改變功率 IC 平面圖中鍵合線的位置會以兩種方式影響最終導通電阻：由于金屬化層內部電流分布的變化，布局后仿真和性能參數發生變化；并聯添加鍵合線會影響最終電阻。在過去的兩年里，我們已經建造了數百個原型，并從中挑選出最好的。我們還對以下項目進行了靜電放電 （ESD） 測試：不同電路策略的原型、帶二極管的電路、數字輸入/輸出鉗位和電源鉗位電路。

　　當我們的社區聚集在國際會議上，除了討論功率晶體管外，還有與用于 GaN 功率集成的模擬電路相關的對話。要獲得高性能電路，顯然需要克服制造角色散和電荷捕獲效應。另一個障礙是缺少用于上拉電路的 p 型晶體管。然而，設計人員可以通過調整電路拓撲來克服這些挑戰。許多已經展示了模擬電路塊，例如電壓基準、欠壓鎖定、ESD 電路、比較器和運算放大器，具有高達 10 MHz 的高開關頻率。這些模塊還兼容高達 650 V 的電壓和高達 1 kW 的功率。

　　圖 3. 典型的基于 GaN 的模擬控制電源。

　　系統級優勢

　　限制采用硅 MOSFET 的系統性能的一個根深蒂固的因素是該晶體管的品質因數——它是其導通電阻及其內部柵源和柵到組合的產物-漏極電容。從硅轉向 GaN 讓設計人員享受到更好的品質因數。工作頻率不再有限制，可以達到硅的十倍。

　　然而，它并不像乍看起來那么簡單，因為提高系統頻率還有另一個障礙。如果轉換器中的 GaN 晶體管未在軟開關條件下運行——即晶體管每次導通時的電壓接近于零或以其他方式受限的情況——由于晶體管的電容而存儲的能量，如以及系統電容，必須耗散在 GaN 中，導致晶體管迅速過熱。雖然這對于以 100 kHz 或更低頻率運行的系統來說可能是可以接受的，但對于 500 kHz 至 2 MHz 的頻率（我們系統的典型運行頻率）而言則不然。

　　我們的解決方案是通過特定的控制和拓撲結構在軟開關條件下持續運行。為確保每個人都能做到這一點，我們推出了 WiseWare 控制器（見圖 4）。

　　圖 4.WiseWare 1 數字控制。

　　驅動力

　　GaN IC 注定是邁向高功率密度和系統集成的下一步，這是半導體取得歷史性成功的兩個關鍵驅動力。但電力電子，尤其是功率晶體管，在集成方面滯后，受制于形成垂直架構的復雜工藝。

　　毫無疑問，我們的 GaN 橫向工藝提供的集成將在系統級帶來好處。實現集成是向前邁出的關鍵一步，因為它總是能夠減少系統尺寸并增加復雜性，從而提高可靠性和性能。

　　我們的 GaN IC 將給市場帶來好處，因為它們能夠：增加復雜性，這可以優化系統性能，包括更好地塑造功率信號；由于電路板上的組件更少，以及包括異常情況的早期檢測在內的附加系統保護，提高了可靠性；以及更快的開關設備帶來更好的性能，這要歸功于驅動程序集成。后者通過減少寄生元件并確保更好的開關行為來實現更高的工作頻率。此外，還有機會引入“in-power sensing”，

　　當然，這種演變需要幾個步驟。然而，這些努力是值得的，因為它們為 GaN 市場的未來提供了主要驅動力。雖然進步可能會持續數十年，但其結果將是系統設計的一場革命，從而以低成本提供無與倫比的性能。

　　圖 5：WiseWare 2 數字控制。

　　數字控制

　　數字 GaN 是使用 GaN IC 實現卓越性能的一個很有前途的選擇。這是一種顛覆性的數字控制方法。模擬信號塊不再“轉換”為數字信號塊，而 GaN IC 和數字 GaN 控制器的功能以這樣一種方式進行劃分，即每一部分都可以提高另一部分的性能。電流感測通常實現起來很復雜，但數字 GaN 解決方案使對電流的分析估計成為可能，從而創建了一個虛擬電流傳感器。這種傳感器僅需幾行代碼，可防止損失，節省 PCB 面積，減少物料清單并消除模擬傳感器問題（見圖 5）。

　　數字 GaN 的另一個優勢是它將高分辨率脈寬調制提升到模擬控制器無法達到的水平。通過開辟精確的亞納秒定時分辨率的機會，結合高性能微控制器單元 （MCU），引入了零電壓開關的新解決方案——這是一種在不增加開關損耗的情況下達到極高開關頻率的技術，多虧了所謂的“軟切換”。通過計算精確的開關時間，數字 GaN 控制器可以使用低帶寬饑餓傳感器和開關設備模型執行零電壓開關。

　　請注意，不會測量或感測高頻開關電壓波形。相反，緩慢變化的變量被饋送到 MCU 模數轉換外設。

　　數字 GaN 開辟了從功率級到云端的新途徑，通過大幅減少交換的數據量來幫助應對氣候變化。作為電源裝置和電源轉換器的核心，數字 GaN 可以聚合來自電源電路的性能數據以計算健康和使用數據。通過處理機載數據可以生成超低帶寬數據流：它每天只需要幾千字節就可以為監控使用大量電源裝置的大型裝置提供最佳信息。

　　通過在數據世界和電力世界之間提供智能鏈接，數字 GaN 可實現遠程固件更新以及通過互聯網激活功能。這種可能性在許多計算設備中很常見，例如互聯網盒子、電視和計算機主板。還有機會為電動汽車提供電力和數據。

　　對于滿足消費電子、電動汽車、數據中心和工業應用等各種數據密集型需求的電源系統，提供傳輸數據所需的大量電力的壓力將越來越大。我們的 GaN IC 有助于滿足這一需求，它在單個 GaN 芯片中結合了多種電力電子功能。回報：更高的速度、更高的效率、更高的可靠性和成本效益，以及開辟從功率級到云的新路徑的數字控制，同時通過大幅減少交換的數據量來保護環境。

　　編輯：黃飛