氮化镓集成器件实现更高直流-直流转换效率及功率密度

宜普电源转换公司Alex Lidow、David Reusch及Johan Strydom


氮化镓生长在硅晶体上并转化为增强型氮化镓场效应晶体管(eGaN®FET)可推动全新、让人惊讶的终端应用如无线电源传送、光学遥感技术(LiDAR)及包络跟踪应用[1]。此外,由于氮化镓场效应晶体管在性能方面取得重大增益,因此可以在目前大部分的应用替代硅基功率MOSFET器件包括交流-直流及直流-直流功率转换应用,并将取得这些旧有器件目前的120亿美元市场份额。

氮化镓技术的发展进程还是刚刚开展,由于该技术远远未达到它理论上的性能极限,因此可合理地预期它可以根据像摩尔定律般改进。摩尔定律预测微处理器技术的发展将最少在未来十年内于产品性能方面可在每两年至四年之间倍增。

Moore's Law for eGaN FETs
Moore's Law for eGaN FETs
图一:我们预测氮化镓场效应晶体管的性能可于每两年之间得以倍增,因此可用更小型外形实现更高性能。

除了性能及成本得以改善外,由于氮化镓技术最大的机遇是它的固有特性可集成多个器件于相同的衬底上,因此对功率转换市场的影响深远。与常用的硅集成电路技术相反,氮化镓技术将来可让设计师更直接地及以低成本在单一晶片上实现单片式功率系统。

目前在功率转换应用最常用的基本拓扑是半桥拓扑,它因此成为实现功率系统晶片(SoC)的起点。

在单晶片上集成两个氮化镓场效应晶体管(eGaN FET)形成单片式半桥器件并使用晶片尺寸封装(Bump Side)
图二:在单晶片上集成两个氮化镓场效应晶体管(eGaN FET)形成单片式半桥器件并使用晶片尺寸封装(Bump Side)。
图二展示的器件的Pin-out
图三:图二展示的器件的Pin-out。

图二展示了商用增强型单片式半桥氮化镓集成电路(EPC2100)内的一个器件。每一个器件的额定电压为30 V。 上面的场效应晶体管(Q1)的导通电阻(RDS(on))典型值为6 mΩ,而下面的场效应晶体管(Q2)的导通电阻(RDS(on))典型值为1.5 mΩ。它使用晶片级封装,以改善开关速度及散热性能。其尺寸为6 mm x 2.3 mm。

图三是器件的pin-out配置。Gate 1是高側栅极引脚 。
GR1 是高側栅极回路引脚。Gate 2是低側栅极引脚。VSW是半桥的开关节点并包含并联连接在印刷电路板上的35只独立焊锡引脚。VIN是对顶部场效应晶体管(Q1)的漏极提供输入电压,包含8只并联连接的引脚。PGND是在下面的场效应晶体管(Q2)的源极端的功率接地连接,包含29只并联连接的引脚。通过集成两个功率场效应晶体管形成单片式器件,可以去除互连电感及印刷电路板上所需的空隙。这样可以提高效率(尤其是在更高频率时)及功率密度并同时降低组装成本。

表一展示半桥式集成电路产品系列首先推出的三个器件。EPC2101集成电路的每一个晶体管的额定电压为60 V。 上面的场效应晶体管(Q1)的导通电阻典型值为11.5 mΩ,下面的场效应晶体管(Q2)的导通电阻典型值为2.7 mΩ。EPC2105 的每一个晶体管的额定电压为80 V。 上面的场效应晶体管(Q1)的导通电阻典型值为14.5 mΩ,下面的场效应晶体管(Q2)的导通电阻典型值为3.4 mΩ。

Part
Number
Configuration VDS Max
RDS(ON)
(mΩ)
(VGS = 5 V)
QG
typ
(nC)
QGS
typ
(nC)
QGD
typ
(nC)
QOSS
typ
(nC)
QRR
typ
(nC)
ID
(A)
Pulsed
ID(A)
Half-Bridge
Development
Boards
EPC2100 Dual Asymmetric 30 8.2
2.1
3.6
15
1.3
4.8
0.6
2.7
6.1
29
0 10
40
100
400
EPC9036
EPC2102 Dual 60 4.9 8 2.5 1.5 26
31
0 30 220 EPC9038
EPC2101 Dual Asymmetric 60 11.5
2.8
3.3
13
1.1
3.9
0.5
2.2
9.3
45
0 10
40
80
350
EPC9037
EPC2103 Dual 80 5.5 6.5 2.2 1.1 30
34
0 30 195 EPC9039
EPC2105 Dual Asymmetric 80 14.5
3.6
2.7
11
0.9
3
0.5
2.1
11
51
0 10
40
70
300
EPC9041
EPC2104 Dual 100 6.8 6.8 2.3 1.4 35
41
0 30 180 EPC9040
表一:集成式氮化镓功率器件的产品选择指南

这些半桥式集成电路系列的最新成员的高側场效应晶体管的尺寸大约是低側器件的四分之一,具备高VIN/VOUT比,在降压转换器可取得最优直流-直流转换效率(见图四)。

EPC2100 Schematic Actual Circuit
图四:这是一个12 VIN、1.2 VOUT的降压转换器。左图是电路原理图。右图是使用EPC2100 eGaN半桥器件的实际电路。
EPC2100 half bridge buck converter efficiency
图五:采用EPC2100 半桥器件的降压转换器工作在500 KHz及1 MHz时所实现的总效率。
EPC2100 half bridge buck converter efficiency compared with discrete FETs
图六:与分立式氮化镓场效应晶体管 (Q1: EPC2015; Q2: EPC2023)相比,采用EPC2100半桥器件的总降压转换器的效率。

图五展示测量所得的电路效率。 在500 KHz及10 A时,降压转换器的峰值效率接近93%。在20 A时,效率可高于90.5%。

在更高频工作条件下,集成器件的优势更为明显。图六比较两个降压转换器工作在1 MHz及4 MHz频率时它们在不同输出电流的效率。蓝线代表采用分立式氮化镓场效应晶体管(eGaN FET)的转换器。黑线代表采用EPC2100单片式半桥器件的降压转换器。

由于半桥的尺寸比两个分立场效应晶体管的总晶片尺寸小33%,因此同步整流器场效应晶体管(Q2)具高出大约50%的阻抗,以及在低频及大电流情况下,采用单片式半桥器件的降压转换器具较低效率。可是,当频率增加至4 MHz,单片式半桥器件的峰值效率比分立式器件的峰值效率高出大约2%(见图六)。

去除在晶片与晶片之间的空隙并配以最优功率环路版图可大大减少总功率环路电感至低于200 pH – 这是少于分立器件EPC2015所述的一半电感[2]。这使得电压在三分之二纳秒范围内转换,以及在25 A开关时的过冲也只是3.6 V(见图七)。

Switch node waveforms for the EPC2100
图七:EPC2100器件的开关节点波形图: 12 V VIN 转至 1.2 V VOUT、25 A IOUT、 1 MHz、650 ps上升时间及750 ps下降时间。

让我们探究当负载点转换在更高输入电压时, 图八展示采用EPC2101、工作在500 KHz频率下的转换器的效率。这个EPC2101为60 V半桥式氮化镓集成电路,可以转换高很多的总线电压,例如可高效地从28 V及42 V转至1 V。图九展示了这个转换应用的开关节点波形图。

Total buck converter efficiency
图八:采用EPC2101半桥式集成电路的总降压转换器的效率。
Switch node voltage
图九:在 VIN=42 V、VOUT=1、V IOUT=20 A及fsw=500 kHz时的开关节点电压。

当负载点转换在进一步更高输入电压时,图十展示了采用EPC2105、转换器工作在500 KHz频率时的效率。EPC2105为80 V半桥式氮化镓集成电路,可以高效地从48 V转至1 V。当全降压转换器系统在16 A时可实现超过80%的峰值效率,并可减去数据通信系统通常需要的两级电压转换。

Total buck converter efficiency
图十:采用EPC2105半桥式集成电路与采用分立式氮化镓场效应晶体管(eGaN FET)的总降压转换器的比较

For applications requiring a more symmetric device ratio, the 80 V EPC2103 and 60 V EPC2102 provide monolithic half-bridge eGaN ICs with two equal sized dies as shown in figure 2. The total system efficiency of a 48 VIN to 12 VOUT POL buck converter is shown in figure 11. For a lower step down ratio with a higher duty cycle, the symmetric half-bridge demonstrates higher efficiency as shown in figure 11. The symmetric half-bridge eGaN IC also demonstrates fast switching speeds with rise and fall times, shown in figure 12, of 2,1 ns and 1.4 ns respectively for 48 V input voltage and 20 A output current.

已有大批量供货的分立式氮化镓场效应晶体管差不多达五年之久,并进驻了很多目前硅MOSFET器件的传统应用。由于全新技术的学习曲线及发展比旧有器件更快速,因此氮化镓器件可实现的效率不断抛离硅器件的效率[3]。现在设计师已有单片式eGaN 半桥器件系列的三个产品,可节省占板面积、提高效率及降低系统成本。当功率转换系统延伸至数MHz领域时,集成多个分立式器件变得更为重要以实现高系统效率及高功率密度。

Total buck converter efficiency
Figure 11: Total buck converter efficiency with EPC2103 and EPC2105 half bridges.
Total buck converter efficiency
Figure 12: Switch node waveforms for the EPC2103, VIN = 48 V to VOUT = 12 V, IOUT = 20 A, showing 2.1 ns rise time and 1.4 ns fall time

参考资料:

  1. A. Lidow, J. Strydom, M. de Rooij, and D. Reusch, “GaN Transistors for Efficient Power Conversion, Second Edition,” J. Wiley, 2015.
  2. D. Reusch, J. Strydom, “Understanding the Effect of PCB Layout on Circuit Performance in a High Frequency Gallium Nitride Based Point of Load Converter,” APEC 2013, pp.649-655, 16-21 March 2013.
  3. http://epc-co.com/epc/cn/产品/eGaNFET及集成电路/Gen4eGaNFETs.aspx

 

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