分立式氮化鎵（GaN）晶體管已投入生產十多年了，目前這項技術已成熟了很多。事實證明，GaN器件比硅功率MOSFET器件具有更高的性能和更低的成本。但是，GaN晶體管現在的優勢還僅在于器件本身，未來則可以通過將多個GaN器件集成到單個芯片上，構建完整的電源系統，而發揮更大的優勢。

ASPENCORE第三屆“全球CEO峰會”于2020年11月5日在深圳召開。本屆大會邀請到EPC公司首席執行官Alex Lidow，為我們帶來了“Redefining Power Conversion with Gallium Nitride Integrated Circuits”（用GaN IC重新定義電源轉換）的主題演講。下面是他所分享的四個方面：GaN發展的歷史背景及其背后的推動力、目前最先進的技術、制造IC的實際方法及其最先進的技術和優勢，以及展望未來數年內GaN技術帶來的變化。

他表示，氮化鎵器件最先被采用的地方，是需要采用快速開關器件的地方，以及基站的包絡跟蹤，和用于全自動駕駛汽車的激光雷達（但最初只支持三維制圖功能）。

而后，隨著氮化鎵器件性能的提高，人們對這些器件的可靠性和可用性有了更大的信心后，氮化鎵器件被用于廣闊的全新應用。大約三年前，當氮化鎵與功率MOSFET的價格開始相當時，氮化鎵器件受到市場廣泛采用，特別是用于需要具備更高的可靠性、更低的成本以及更高的性能的功率器件應用領域，包括服務器的DC/DC轉換器、新一代機器人和無人機的高功率密度計算機的電機控制器、最高端的D類音頻放大器、車載應用和無線電源系統的音頻放大器。近來，衛星配電系統也采用氮化鎵器件，從而創造了一個非常龐大的全新市場。

GaN性能還有300倍提升空間

圖1給出了EPC GaN（eGaN）器件的導通電阻與擊穿電壓的關系。黑色對角線是功率MOSFET的理論極限值，藍色對角線是氮化鎵器件的理論極限值，紫色圓點顯示宜普電源轉換公司的前一代器件的性能，綠星代表目前最先進的器件的性能，但與理論極限值還相差300倍。因此，可以預期，未來數年內GaN器件的性能將會迅猛發展并越來越接近藍色對角線，并且其小型化的理論極限比硅器件要小6000倍！

圖1：eGaN器件的導通電阻與擊穿電壓的關系

圖2顯示了400V以下的最先進的器件，藍色橢圓形之內是目前實際投入量產并已經發貨的產品。綠色橢圓形內的產品則在2020年第四季度至2021年第一季度之間開發，包括30V~350V的器件且導通電阻范圍在數mΩ至數十mΩ之間。

圖2：EPC第五代400V以下GaN器件

硅基氮化鎵IC是如何制成的？

大約六年前，EPC開始開發第一階段的IC，最開始是只制造分立式功率器件。如圖3（一半）所示，器件的源極、漏極和柵極都在同一表面上。氮化鎵層是在標準硅晶圓的頂部生成，可以在標準硅晶圓廠生產。

圖3：GaN集成第一階段

氮化鎵器件采用橫向設計，所有端子都在同一表面上，并且是半絕緣的，因此可將兩個功率器件放在同一塊襯底上而不相互影響。把半橋的兩個功率器件放到同一裸片的兩側上，就形成半橋IC。

圖4是單片式半橋器件，最早的一批于2014年9月推出，最明顯的優勢是節省了大量空間，此外，還有一個不太明顯但卻非常重要的優勢是，它可以大大降低功率環路電感。

圖4：單片式半橋器件

圖5給出了降壓轉換器效率與輸出電流的關系——轉換器的輸入電壓為12V、輸出電壓為1.2V、工作頻率高達1MHz。藍色線代表兩個分立式氮化鎵晶體管采用硅驅動器驅動，而PCB采用了高效的布局設計。綠色線代表氮化鎵半橋器件，其中的兩個晶體管具有相同的電阻。但是，當將兩個器件集成在一起時，效率高很多。主要的原因有兩個：首先是功率環路電感從大約400pH減至大約200pH，當器件的工作頻率達到MHz時，效率就不同；第二是對于非對稱降壓轉換器，高側器件或控制器的運行溫度往往比低側器件高。如果將它們放在同一個芯片上，實際上就可以平衡熱量，整體的效果就更好。

圖5：降壓轉換器效率與輸出電流的關系

圖6顯示了功率器件IC第二階段的發展。對于氮化鎵器件，柵極和漏極之間的距離，很大程度上決定了器件可以承受的電壓，通過縮短距離可以制造出更小型化的器件。實際上，在同一芯片放置低壓邏輯/模擬器件和大功率高壓器件非常簡單。

圖6：GaN集成第二階段

圖7是飛行時間（ToF）IC的最新范例。左邊是輸入邏輯，右邊是MOSFET的驅動器。這個器件在接收邏輯信號后產生非常大的電流和極短的脈沖，從而在飛行時間應用中發射激光。這個例子很好地說明了如何將驅動器和MOSFET集成在同一個芯片上而生成非常強大且快速的IC，而可以采用常規的邏輯門來驅動。

圖7：ToF IC范例

圖8所顯示的粉紅色線代表器件的漏極電流，這個脈沖大小為10A，寬度約為1.94ns，上升沿時間為380ps，下降沿時間為525ps。這個器件采用2.1V邏輯信號驅動（以綠色線表示），輸入信號到輸出之間大約只有1ns的延遲。它可以在100MHz的脈沖頻率下工作。

圖8：ToF IC性能

GaN IC發展到第三階段，可以將低壓模擬/數字器件與高壓功率器件集成在同一芯片上；除了低側功率器件以外，還可以將高側器件集成進來；還可以將低壓模擬/數字器件放到高側；然后還可以在其上再集成晶體管而實現電平轉換。這樣就可以得到單片式功率級。

圖9：GaN集成第三階段

從圖10的框圖可以看到單片功率級的所有功能。從右邊可以看到兩個功率MOSFET構成半橋，并各自配備驅動器。高側進行了電平轉換。頂部是同步自舉電路，用來產生高側所需的柵極電壓。然后這里面有多個輸入邏輯、欠壓鎖定電路并且將高低側輸入信號接地。因此，簡單的數字邏輯信號可以為半橋高低側供電。這就構成了非常簡單的斷電邏輯。芯片的尺寸為10mm2，從2020年3月開始投產。它比等效分立器件小35%，如果放置所有分立器件在PCB上，布局就會變得非常擁擠。這種方案與采用分立器件的方案相比元器件數量減少一半。由于包含了輸入邏輯和功率輸出，因此所需的設計時間要少得多。而且其效率也比預期的要高得多!

圖10：集成式功率級框圖

圖11展示了48V/12V降壓轉換器采用分立器件和單片式器件在1MHz和2.5MHz工作頻率時的效率對比，綠線代表單片功率級，藍線代表分立式方案——其中分立式方案中所采用的MOSFET的特性與單片IC相同，并且是置于非常高效的布局中，分立驅動器IC也是放置在非常靠近MOSFET的位置。由此可知，單片集成電路的性能明顯優于分立器件。

圖11：集成式GaN與分立式方案（及MOSFET）對比

原因有3個：

首先，單片式半橋器件降低了功率環路電感。

其次，在同一芯片上將驅動器放在MOSFET的旁邊，從而消除了柵極環路電感。

第三，將所有器件放在一起后，形成了一個熱導管，這樣就可以平衡所有器件的溫度，因此平均來說，凈溫升可以更低。

另外用最好的傳統功率MOSFET（用黑色X表示）與之對比，可以發現前者的效率是91%，比單片集成電路的效率低出5%，并且尺寸大很多。這意味著功率損耗降低了超過50%。

圖12是雙向降壓轉換器的例子，它由兩個單片功率級組成，就是黃圈所示。這一48V/12V、300W的雙向降壓轉換器，具有96%的效率，其功率密度超高——可以放進1/16磚式轉換器。

圖12：300W雙向降壓轉換器實例

圖13是采用功率級構建的電機控制器。這款三相電機控制器的尺寸僅為45mm×55mm。其中用到三個IC（白圈圈出），優點是電機控制器可以實現高得多的開關頻率；既可以減小尺寸，又可以減輕重量。此外，它可以減少噪聲并實現更高的電機定位精度——對于機器人來說，這點非常重要，因此這種方案在無人機、機器人和電動自行車中非常流行。

圖13：500W電機驅動器實例

單片功率級的所有好處包括：

首先，它的元器件數量減少了一半，有時甚至更多。

其次，它縮短了產品從設計到推向市場的時間。過去10年，設計人員在采用分立式氮化鎵器件設計時需要花費大量時間才能把產品推向市場——必須設計出非常緊湊的布局，必須找到與這些器件相匹配的IC，必須將邏輯信號轉換為柵極驅動信號。

現在沒有這些問題了。布局簡單，而且驅動具有很好的邏輯輸入和功率輸出。

當然，還節省了寶貴的占板面積，并節省了由此產生的成本——占板面積成本隨著功率轉換產品的密度越來越高而變得昂貴。單片功率級不僅價格合理，而且還節省了元器件數量。隨著技術的進步，IC當中還會加入電流感應、死區時間控制和更多邏輯以及其他多種功能。

GaN技術發展路線圖

從圖14的頂部可以看到，現今的分立器件正處于其第五代的技術平臺。而對于集成電路，則是從單片半橋器件開始發展到添加了越來越多的功能和特性，進而發展到ToF IC。2020年，EPC第5+代分立器件系列將再次提升性能。與此同時，該公司將會把其在IC方面學習到的所有知識，都應用到ePower單片式功率級IC上，而實現功率IC中最常見的各種功能。

圖14：分立式vs集成式GaN發展路線圖

未來，分立式器件還將發展到第六代技術，這時距離氮化鎵理論極限還有300倍的發展進程，而新一代的多級轉換功率級還會具備更多的功能和特性、電流檢測、死區時間控制、各種溫度和檢測功能。

最后，大約四年后，還會將包含閉環在內的所有功能集成到SoC當中。這樣，用戶只要給出數字邏輯輸入信號，就可以得到所規定的功率輸出。到時，隨著分立器件的集成化，以及功率密度越來越高，焊球及焊條（電流輸出引腳）設計將會越來越難。因此就必須再進一步地集成為小型的多芯片、多功能IC。在接下來的3年或4年內，分立式電源轉換晶體管將會緩慢淘汰，而設計人員在設計系統時將會采用集成電路。

GaN的發展確實還存在一些挑戰：

首先，氮化鎵還沒有P溝道器件，這使得電路設計更加困難，尤其是不可能制造出良好的CMOS電路。

其次，由于氮化鎵技術還處于萌芽期，預先設計的電路單元（circuit block）還較少，因此市面還沒有龐大的電路單元庫。因此，大多數情況下，設計人員都需要通過自己設計電路來搭建大型系統。這就會花費更長時間，并需要通過技術迭代實現，而且這也對IC設計人員的技能提出更高要求。

第三，分立器件技術也同樣會繼續快速發展——要謹記，氮化鎵技術離其理論極限還有300倍的距離。如果IC平臺不能緊隨分立技術平臺的發展，目前可以從分立式晶體管獲得的性能優勢，集成電路就暫時無法實現。因此，就需要極快速地開發出工藝設計套件，從而使IC的設計功能自動化。而且，也需要實現技術迭代，才能夠滿足所需的技術發展速度。

總結

EPC的氮化鎵技術發展迅猛。其不斷推出新一代的分立器件，成為了新一代更高效、更小型化、成本更低的IC的平臺。

GaN IC使產品更易于設計、更小型化、更快、更高效。而隨著氮化鎵技術的改進，IC就變得至關重要，因為我們無法再從分立式功率器件的輸入及輸出實現所需的功率密度。但是，如果將多個功率器件集成到功率IC中，則可以實現高很多的功率密度。

憑借這些優勢，加上集成電路的成本遠低于其能夠增加的價值，隨著氮化鎵技術更趨成熟，分立器件將逐漸被淘汰。

因此，氮化鎵技術的崛起，正在重新定義電源轉換，而全新的氮化鎵集成電路則會為業界帶來最大的性能優勢。
編輯：hfy