新的200 V eGaN器件在性能上比老化的硅功率MOSFET提高了一倍。
技术分享GaN技术杂谈 – Alex Lidow, Ph.D.
8月 21, 2020
高效电源转换（EPC）正在使老化的硅功率MOSFET与eGaN®晶体管之间的性能差距扩大一倍，达到200 V额定值。新一代第五代器件的尺寸约为上一代的一半。性能提升源自两个主要设计差异，如图1所示。左侧是第四代200 V增强型GaN-on-Si工艺的横截面。右侧是第五代结构，具有缩短的栅极和源极电极之间的距离，并添加了一层厚金属。这些改进，加上许多未显示的其他改进，使新一代FET的性能提高了一倍。
图1：第四代GaN FET横截面（左）与第五代器件（右）的对比。注意第五代产品中栅极和漏极之间的距离更近，并增加了第四层金属。
前两个产品，EPC2207和EPC2215，如图2所示，并与上一代eGaN FET进行比较。例如，EPC2207的面积为2.6 mm2，而EPC2010C为5.8 mm2，但EPC2207具有更低的RDS(on)、更低的QG、QGD和大大降低的QOSS。
图2：第五代产品与其第四代前身的对比。功率密度约为前代的两倍。
为了说明相比Si功率MOSFET显著的性能优势，图3比较了第四代和第五代eGaN FET与Infineon的基准硅器件IPT111N20NFD。EPC2215具有33%更低的RDS(on)，但尺寸缩小了15倍。栅极电荷（QG）比新技术小了六倍多，且所有eGaN FET都没有反向恢复电荷（QRR），从而实现了更低失真类D音频放大器以及更高效的同步整流器和电机驱动器。
图3：第四代和第五代eGaN FET与基准Si功率MOSFET的对比。第五代将第四代已很大的性能差距再次扩大。
在图4的性能图中可以看到新一代200 V eGaN FET的优势的额外确认。比较了Infineon 200 V MOSFET基准器件、旧一代EPC2034C和第五代EPC2215。尽管EPC2215的尺寸只有EPC2034C的60%，其性能仍优于旧型号。Si MOSFET的性能明显较差。
图4：在150 V到12 V DC-DC 降压转换器中，Infineon IPT111N20NFD、EPC2034C第四代eGaN FET和EPC2215第五代eGaN FET的效率比较。
由于这些新一代eGaN FET器件尺寸小，常见的问题是它们在运行中如何散热。得益于芯片级封装，热效率比包装中的可比硅器件高得多。例如，图5显示了一个4 mm2的eGaN FET，显示其在6 W功率下的热阻为4 °C/W。我们显示了一个模拟图像以便清楚，但设备的实际能力已通过实验确认。
图5：4 mm2 eGaN FET的热阻为4°C/W的模拟热图像。此性能已通过实验验证。
考虑到这些新200 V eGaN FET的明显优越性，人们可能会认为它们的价格会比较高。然而，EPC将这些最先进的晶体管的价格设定为与其老化的祖先硅功率MOSFET相当。
这些前沿设备的应用包括类D音频、同步整流、太阳能MPPT（最大功率点追踪）、DC-DC转换器（硬开关和谐振）和多级高压转换器。
图6展示了使用仅六个EPC2215器件的2.5 kW四级图腾柱PFC。通过堆叠200 V额定的eGaN FET，该PFC的输入电压可达到400 V，并如图7所示，实现了99.25%的效率。
图6：2.5 kW四级图腾柱功率因数校正（PFC）电路的电路图和照片。该系统使用六个EPC2215器件，允许输入电压高达400 V。
图7：图6中系统的效率与负载功率的关系。峰值效率达到99.25%，满载效率超过99%。
EPC的第五代eGaN FET在更小、更高热效率的尺寸中实现了更高性能，且成本相当。除了图4中的降压转换器和图6中的图腾柱PFC外，这些新一代200 V eGaN FET还非常适合49 VOUT同步整流和类D音频应用。老化功率MOSFET的不可避免的淘汰每天都在变得更加明显。