麥姆斯咨詢整理了宜普電源轉換公司（EPC）首席執行官Alex Lidow公開發表的關于GaN功率器件原理、應用及優勢的理解，為讀者奉獻一系列文章。在本系列文章中，將討論一些新興應用如何利用GaN功率器件的優勢實現終端產品差異化。

滿足“電老虎”移動計算的需求

消費者都希望所用的移動設備能完成一系列耗電量不斷增長的任務。對耗電量的要求以及對小巧輕便的外形需求，與延長電池壽命的需求相互矛盾，因此對配電系統提出的要求越來越高。換句話說，需要將高性能負載點（POL）直流對直流（DC-DC）轉換器設計得體積小且效率高。

圖1：移動產品對POL的要求，為高性能、超小尺寸和低成本的GaN器件提供了理想的平臺

減小尺寸并降低核心功率器件的功耗，對滿足上述需求至關重要。提高功率晶體管的開關頻率是減小尺寸的已知途徑。如今，氮化鎵（GaN）功率器件提供了實現更高轉換器頻率的新路徑，并將推動下一代移動計算的發展。

提高集成度，速度提高的同時轉換效率不打折

提高頻率是減小尺寸的一種行之有效的方法。對于移動系統而言，實現高效解決方案同樣重要，這是延長電池壽命的關鍵因素。通過單芯片集成，如增強型氮化鎵功率場效應晶體管（eGaN FET）和集成電路（IC）集成，也能夠顯著提高轉換器效率。

要實現高頻和高效率，需要解決寄生電感。寄生電感已被證明會降低開關速度，從而增加系統功耗。通過將兩個eGaN FET集成到單個器件中，印刷電路板（PCB）的互連電感和所需的間距可以大大減少甚至為零。

圖2：30V單片式半橋GaN功率器件EPC2111，導通電阻為19m ohm（Q1）和8m ohm（Q2）

集成度提高帶來的第二點有點是能夠優化管芯尺寸，并控制場效應晶體管（FET）和同步整流器的外形。集成化能減小控制FET（Q1）的尺寸，從而減小開關相關損耗，而尺寸較大的同步整流器（Q2）則可以減小傳導損耗。這樣就能設計出“又長又細”的控制FET（見圖2），以減小功率環路電感。圖2中的EPC2111是單片式eGaN半橋IC，為用于高降壓POL轉換器而設計，其中，控制FET（Q1）大約是同步整流器（Q2）尺寸的四分之一。每個FET都能夠在5.25mm2的面積中傳輸16A的連續電流。EPC2111的面積只有硅基金屬-氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）的七分之一，但開關速度更快，寄生電容也更小。因此，即使在非常高的開關頻率（10 MHz）下，開關損耗也能保持最低，這就是GaN器件非常適合POL應用的原因。

DrGaNPLUS功率模塊EPC9204：功率密度達1000W/in3

尺寸最小、最具成本效益和效率最高的非隔離12V-1.0V POL轉換器，適用于高性能計算、加密數字貨幣和電信應用。單片式eGaN IC半橋如EPC2111，可以幫助實現。

DrGaNPLUS功率模塊EPC9204選用EPC2111作為應用演示（如圖3所示）。它是一種同步Buck轉換器，產生的功率密度為1000W/in3，每相輸出電流為12A。

圖3：EPC9204開發板最大高度為1.2mm，在12V輸入電壓，1V輸出電壓和12A負載工作時功率密度為1000W/in3

功率模塊EPC9204（如圖4所示）使用單片式eGaN半橋EPC2111配置為同步Buck拓撲。功率模塊EPC9204（如圖3所示）還配置村田（Murata）下屬公司pSemi提供的半橋柵極驅動器PE29102、輸入和輸出濾波器以及電流和溫度傳感功能。EPC9204板上高度最高的組件只有1.2mm。eGaN FET的高頻能力大大降低了對濾波的要求，從而實現了尺寸更小、損耗更低、經優化后的輸出濾波電感。

圖4：配置有EPC2111的開發板EPC9204的電路框圖，非常適合12V-1V POL轉換

EPC9204在負載5A、頻率5MHz時，峰值效率達到78%，在氣流速度為400 LFM時FET的最高溫度為100℃。圖5顯示了器件分別工作在3MHz、5MHz和10MHz時，負載高達12A時的效率曲線圖。

圖5：EPC9204配置單片式eGaN半橋EPC2111，輸入電壓為12V、輸出電壓為1V時，效率與輸出電流的關系圖

高頻12V-1V POL轉換器設計從硅基MOSFET轉移到eGaN IC是未來的必然趨勢，這是因為后者的效率更高、尺寸更小且成本更低。表1列出了基于eGaN設計的轉換器的材料清單（BOM），每瓦成本低于0.20美元。

表1：基于50萬顆單片式eGaN 12V-1V轉換器價格估算的材料清單

基于eGaN IC的12A負載的12V-1V轉換器在5MHz時產生的峰值效率為78%，功率密度至少為1000W/in3，成本均低于0.20美元/瓦。

總結

消費者對能執行越來越多耗電任務又保持小巧輕便的移動設備的追求不會停止。要跟上消費者的要求，減小尺寸、核心功率電子器件的功耗降低顯得至關重要。

移動設備中電源系統的功率轉換電路占據了近一半的空間，并決定了電路板的最大高度。減小尺寸的最直接方法是提高開關頻率，從而減小輸出電容和電感的尺寸。基于硅基的POL系統通常在1 MHz甚至更低頻率下運行。GaN功率器件能夠在如10 MHz的高頻率下高效運行，將極大地減少下一代移動計算的電路板面積和高度。