意法半導體?在PCIM Europe?虛擬會議上首次向業界展示了該公司用于汽車應用的集成式?STi 2 GaN系列 GaN 功率器件?。利用臺積電的 GaN 技術及其自身獨特的設計和封裝專業知識，包括 100-V 和 650-V 單片芯片和 100-V ASSP 在內的新型 GaN 器件聲稱具有更低的寄生電感、出色的散熱能力、快速開關和高在緊湊的封裝中進行頻率操作，以節省空間和成本。

“STi 2 GaN 解決方案構建了從單片功率級到驅動器一直到控制邏輯集成的多重產品，并使用創新的無鍵合線封裝來提供高穩健性和可靠性”，Rodrigo Marquina 說, ST 的高級技術營銷工程師，在 PCIM 演講中：“智能電力電子的新浪潮”。

“臺積電提供 GaN 技術，包括 100-V 和 650-V e-Mode GaN，并且由于它基于 p-GaN 柵極結構，因此器件通常處于關閉狀態，這對于汽車應用非常重要”，Marquina 說. “ST 正在提供具有自己設計規則的專用獨特設計。對于 100V 器件，我們更進一步，在系統級封裝方法中，我們將邏輯與我們最新的基于硅的技術 BCD9 技術集成在一起。這提供了更簡單的 GaN 電源柵極電壓驅動器，同時實現了高速邏輯控制。”

圖片：意法半導體的介紹

Marquina 解釋說，新系列解決了三個不同的“模塊”：功率級、功率級和設備保護的驅動器以及邏輯控制。這些器件可用作具有驅動器和保護功能的單片 GaN 功率級，或作為集成了單片 GaN 功率級、驅動器（GaN 或硅）和硅控制器的系統級封裝器件。

圖片：意法半導體

集成的 GaN 功率器件還具有緊湊的尺寸。“一旦一切都集成在一起，我們就會降低寄生電感并提高穩健性，從而提高可靠性，”Marquina 說。

這與集成設備的高性能屬性相結合。“我們繼承了 GaN 開關能力的高頻操作，”他說。“與此同時，我們降低了 EMI，并且由于采用了 LISI 等無鍵合線封裝，我們極大地改善了散熱。”

微調的投資組合

STi 2 GaN 產品組合提供從帶有驅動器的單片功率級一直到控制邏輯集成的解決方案，它結合了臺積電的 GaN 技術和 ST 的硅基 BCD 技術以及新穎的無鍵合線封裝。

該系列分為 100-V 和 650-V 應用。在 100V 領域，首批器件面向 48V/12V DC/DC 轉換器和 LiDAR 應用。這些設備是使用系統級封裝方法開發的，這意味著功率級使用 GaN 技術，而所有集成控制和保護都在硅中。

“更具體地說，關于第一個應用——雙向 48V/12V DC/DC 轉換器——它是一個單片 GaN 半橋，高側 [HS] 為 2 mΩ，低側 [LS] 為 1 mΩ，具有硅驅動器和控制器，”Marquina 說。

“這種集成允許高達 1 MHz 的開關速度，如果我們采用更典型的 PWM 或 500 kHz，我們的目標效率為 98%，這種方法適用于解決集中式和分布式電源架構，”他補充道. “在這兩種情況下（集中式或分布式），我們每個設備的每相功率都達到 900 W，系統效率高達 98%，開關頻率高達 1 MHz。”

Marquina 還補充說，LiDAR 應用需要在很短的時間內提供高密度的功率脈沖。為了滿足這一應用，ST 正在開發單通道激光驅動器和四通道激光驅動器，這些設備中的每一個都將能夠在僅 400 皮秒的上升時間內提供 50-A 脈沖。

ST 還在開發 100-V 技術的衍生產品，這是一種具有驅動器和保護功能的全橋單片 GaN 器件。

100V 器件采用小而薄的 2SPAK 封裝，由于散熱板具有散熱功能，因此可提供極好的熱性能。
100V ASSP 的第一個工程樣品可用于開始評估。ST 預計到 2023 年第四季度將獲得合格樣品。

STMicroelectronics 的 STi2GaN 650-V GaN 功率器件（來源：STMicroelectronics）

650-V 系列的第一批成員被細分為用于 OBC 和輔助電源應用的器件。Marquina 表示，低歐姆 OBC 器件是具有集成驅動器和保護電路的 30-mΩ 和 65-mΩ 全單片低側 HEMT，因此不僅功率級而且它們的控制都使用 GaN 技術。

“通過不使用硅，我們可以將開關頻率提高到 2 MHz，不僅如此，我們還能夠對 dV/dt 進行編程，它包括短路和熱保護，”他說。

ST 為這些 LS HEMT 選擇了 LISI slug-up 封裝，它“極大地減少了寄生影響，提供了出色的熱性能的雙面冷卻，以及焊盤定位和通孔數量的靈活性，”Marquina 說。它還緊湊而薄，尺寸為 6 × 5 × 0.8 mm。

第一批高歐姆器件的起始電阻為 190 mΩ，最高可達 500 mΩ。這些也是單片 LS HEMT，但它們集成了 PWM 控制器以及驅動器和保護電路。Marquina 說：“我們仍然有可編程的開啟 dV/dt，還包括可變 PWM 占空比，當然還有待機電流非常低的優勢”。

可提供 650V 器件的首批工程樣品。合格的樣品預計在 2023 年底。

STMicroelectronics 的 STi2GaN 100-V 器件（來源：STMicroelectronics）

雜散電感：分立與集成解決方案

GaN 的一個關鍵優勢是其非常高的開關能力，但快速開關會帶來雜散電感問題。Marquina 表示，集成解決方案在解決雜散電感問題方面具有優勢，同時通過減少外部組件的尺寸和數量可節省高達 40% 的空間。

看看分立式 GaN 解決方案，有幾種類型的雜散電感需要解決。“我們需要注意柵極驅動環路雜散電感，這會增加誤導的可能性，當然還會帶來額外的柵極應力，”Marquina 說。

“我們需要注意的次級電感是那些與功率回路相關的電感，”他補充道。“電源回路中的雜散電感可能會導致更高的電壓尖峰，從而給您的設備增加更多壓力。”

Marquina 還指出，為了減少這些雜散電感的影響，需要一個柵極傾倒電阻和一個布局優化的多層 PCB，這會轉化為額外的資源、時間和成本。

分立 GaN（左）與集成 GaN（右）解決方案（來源：意法半導體）

Marquina 說，看看柵極驅動環路，集成 STi2GaN 解決方案，它“大大減少了柵極源電壓振鈴”。“通過降低柵極結構上的應力，我們提高了可靠性。我們還降低了驅動器輸出的阻尼電阻，這可以實現更快的切換，并在默認情況下降低切換損耗。”

關于電源回路中的雜散電感，STi 2 GaN 解決方案“還大大降低了漏源電壓尖峰，因此，它降低了開關損耗、EMI 和漏源電壓應力。”

但這不僅僅是關于雜散電感，Marquina 說。“大小事項。PCB 尺寸成本、無源元件數量以及系統在 OEM 結構中所占的體積都很重要，成本有時難以量化。”

Marquina以 48V/12V DC/DC 轉換器 STi 2 GaN 解決方案與類似的分立硅解決方案為例，表示集成的 STi 2 GaN“大大減少了外部組件的數量”。這包括 48V 或 12V 側的凈電容器的數量和大小以及功率級和保護所需的設備。他說，這可以將應用程序的大小減少大約 40%。

作為總結，Marquina 指出 STi2GaN 提供快速開關，同時減少雜散電感，集成解決方案簡化了系統實施，減少了空間限制，并提高了整體效率。

審核編輯 黃昊宇