ePower™ Stage – 重新定义电力转换
技术分享GaN技术杂谈 – Renee Yawger
3月 16, 2020
除了性能和成本改进之外，GaN 技术对电源转换市场的最重要影响来自其在同一基板上集成多个设备的内在能力。与标准硅 IC 技术相比，GaN 技术使设计师能够以更简单、更具成本效益的方式在单个芯片上实现单片电源系统。
如今，电源转换中最常用的构建模块是半桥。2014 年，EPC 推出了一系列集成的半桥设备，这成为了向电源系统单芯片迈进的起点。这一趋势随着 EPC2107 和 EPC2108 的推出而扩展，这些产品集成了同步升压的半桥。2018 年，我们通过引入将栅极驱动器与高频 GaN FET 集成在单个芯片中的 eGaN ICs 进一步推进了集成路径，从而提高了效率、减小了尺寸并降低了成本。现在，ePower™ Stage IC 系列通过在单个 GaN-on-Si 集成电路中集成所有功能，在更高的电压和更高的频率下重新定义了电源转换，超越了硅的范围。
EPC2152 – 80 V, 12.5 A ePower™ Stage
EPC2152 是一款采用 EPC 专有 GaN IC 技术的单芯片驱动器加 eGaN® FET 半桥功率级。输入逻辑接口、电平转换、升压充电和栅极驱动缓冲电路以及配置为半桥的 eGaN 输出 FET 都集成在一个单片芯片中。由此产生的芯片级 LGA 封装器件尺寸仅为 3.9 mm x 2.6 mm x 0.8 mm，适用于 80 V、12.5 A 氮化镓基功率级集成电路。根据操作条件，该器件的 PWM 频率范围可达 3 MHz，显著高于 MOSFET 离散或 IC 解决方案。
输出器件配置为 RDS(on) 小于 10 mΩ 的高低侧 FET 半桥。内部栅极驱动电路设计为匹配输出 FET，从 0 V 到 60 V 的开关时间小于 1 ns，额定电流下。
高频操作是可能的，延迟时间小于 20 ns，高低侧延迟时间匹配，便于使用低于 10 ns 的低死区时间。
输入兼容 3.3 V 逻辑，允许用户直接与 MCU 或模拟控制器接口。
EPC2152 采用晶圆级芯片级封装 (WLCSP) 的 LGA 外形封装。焊盘的布局设计考虑了电流流向，以最小化实际 PCB 应用中的电源环路电感。EPC 的开发板 (EPC90120) 的电源环路电感小于 0.2nH。
设计简化
EPC2152 取代了至少三个离散芯片；栅极驱动器和两个 FET，使设计和制造更容易。与离散实现相比，该器件至少节省了 33% 的印刷电路板空间。这类产品系列使设计师能够轻松利用 GaN 技术带来的显著性能改进。单芯片中的集成设备更易于设计、布局、组装，节省 PCB 空间并提高效率。
48 V DC-DC
EPC2152 主要用于 DC-DC 转换器，这些转换器需要高效率和小尺寸。这些是电信、服务器和客户端计算、工业、汽车和军用市场的关键优势。该器件可用于降压和升压转换器以及 LLC 转换器。一些客户甚至在开关电容拓扑中尝试使用该器件。
EPC 使用 EPC2152 构建并测试了一个降压转换器，VIN = 48 V，VOUT = 12 V，fSW = 1 MHz 和 IOUT = 12.5 A。在该降压转换器中运行时，峰值效率超过 96%，优于离散 GaN FET，远优于基于离散 MOSFET 或单片 MOSFET IC 的功率级。
电机驱动
ePower Stage 另一个有前景的应用是 电机驱动 逆变器，用于机器人、无人机和电动滑板车。这些电机驱动应用需要更轻的重量、更高的带宽和更低的扭矩波动，这些都是使用 EPC2152 构建的逆变器的优势。
EPC 使用 EPC2152 构建了一个电动滑板车电机的原型。ePower Stage 器件在三相正弦激励下，10 ARMS 每相，15 A 峰值电机驱动，提供了一种高效、安静、高性能、低成本的电动机 BLDC 解决方案。
未来展望
EPC2152 是一系列将以芯片级封装和共封装模块形式提供的集成功率级产品中的首款。 在一年内，该系列将推出能够在 3 至 5 MHz 范围内高频运行以及每个功率级电流从 15 A 到 30 A 的产品。
最终目标是实现一个单一组件 IC，只需来自微控制器的简单数字输入，即可高效、可靠地在所有条件下驱动负载，且占用最小空间并具有经济性。