新的100V eGaN器件在老化的硅功率MOSFET上提升了基准性能
技术分享GaN技术杂谈 – Alex Lidow, Ph.D.
9月 09, 2020
高效电源转换 (EPC) 正在提升老化的硅功率 MOSFET 与 eGaN 晶体管之间的性能差距，其额定电压为 100 V。新一代“plus”器件的 RDS(on) 降低了约 20%，且与上一代产品相比，直流额定值有所提高。这种性能提升来源于厚金属层的增加和从焊球到焊条的转变。
图 1：eGaN® FET 截面图，显示了在这代 5 “plus”系列中添加的第四金属层。
第一批产品，EPC2204 和 EPC2218，如图 2 所示，并与上一代 eGaN FET 进行了比较。例如，EPC2204 的芯片尺寸与 EPC2045 相同，但具有 80% 更高的连续电流能力 (IDC_CONT)，20% 更低的导通电阻 (RDS(on))，以及 70% 更低的结到板热阻 (RΘJB)。
图 2：第五代“plus”产品（绿色）与其前辈的比较。电流处理能力、导通电阻和热阻均有显著改善。
为了说明相对于硅功率 MOSFET 的显著性能优势，图 3 将第五代和第五代“plus”eGaN FET 与基准硅器件 Infineon 的 BSZ070N08LS5 进行了比较。EPC2204 的 RDS(on) 降低了 25%，但尺寸缩小了三倍。新技术的栅极电荷 (QG) 低于一半，而且与所有 eGaN FET 一样，没有反向恢复电荷 (QRR)，从而实现了更低失真的 D 类音频放大器 以及更高效的同步整流器和 电机驱动器。
图 3：第五代和第五代“plus”eGaN FET 与基准硅功率 MOSFET 的比较。新的 eGaN FET 在性能上与最接近的 MOSFET 对手拉开了差距。
图 4 中的性能图进一步证实了新一代 100 V eGaN FET 的优势。显示了一个以 2 MHz 运行的降压转换器，将 12 V 或 24 V 转换为 3.3 V。红线表示基准 Infineon 60 V MOSFET 的效率和功率损耗，与蓝线的 EPC2204 和 EPC2218 器件进行了比较。
图 4：Infineon MOSFET 与第五代“plus”EPC2204 和 EPC2218 DC-DC 降压转换器在 2 MHz 下运行的效率比较。
由于这些新一代 eGaN FET 器件非常小，一个常见的问题是它们在运行中散热效果如何。由于芯片级封装，热效率远高于封装中的可比硅器件。例如，图 5 中显示了一个类似于 EPC2204 的 4 mm2 eGaN FET，显示了 4 °C/W 的热阻，器件内功率为 6 W。为了清晰起见，我们展示了一个模拟图像，但器件的实际能力已通过实验验证。
图 5：类似于 EPC2204 的 4 mm2 eGaN FET 的模拟热图像，显示了 4°C/W 的热阻。这一性能已通过实验验证。
由于这些新的 100 V eGaN FET 的明显优越性，人们可能会认为它们的价格会更高。然而，EPC 将这些最先进的 100 V 晶体管的价格定为与其老化的前身硅功率 MOSFET 相当。
为了帮助设计工程师更快地将产品推向市场，EPC 提供了一系列设计工具、开发套件和参考设计，这些工具都利用了这些芯片级产品。
图 6 列出了零件、相应的开发套件和可用的参考设计。所有 EPC 产品都提供 PSPICE、TSPICE、LTSPICE、Spectre、Altium 和热设备模型。
图 6：表格显示了 EPC2204 和 EPC2218 100 V eGaN FET 的可用开发套件和参考设计。
使用 EPC2218 的一个参考设计示例是图 7 中的超薄 EPC9153 降压转换器。该降压转换器设计用于适配显示器和笔记本电脑等非常薄的产品，输入电压在 40 至 60 V 之间。其厚度仅为 6.5 mm，效率超过 98%（见图 8），且在没有额外散热或气流的情况下温升仅为 35°C。
图 7：EPC9153 参考设计是一个 250 W 超薄降压转换器，在满负载时效率超过 98%，温升仅为 35°C。
图 8：图 7 系统的效率与负载功率关系。满负载效率在稳态下达到 98.5%。
相同设计可配置为 12V 调节输出。图 9 显示了 12 V 输出电压时的效率与负载功率关系。在稳态下，满负载效率在 56 VIN 时达到 97.4%，在 48 VIN 时达到 97.6%。
图 9：图 7 系统在 12 V 输出电压时的效率与负载功率关系。
EPC 最新一代的 100 V eGaN FET 在更小、更热效率高的尺寸中实现了更高的性能，并且价格与老化的硅 MOSFET 相当。与前几代 eGaN FET 相比，这些新产品具有更低的导通电阻、更低的热阻、更高的额定直流电流能力，并且价格与具有相同评级的功率 MOSFET 相当。老化的功率 MOSFET 的不可避免的淘汰变得越来越明显。