GaN技术杂谈

Brick DC-DC 转换器广泛应用于数据中心、电信和汽车应用中，将标称的48 V母线转换为（或从）标称的12 V母线。氮化镓（GaN）集成电路（IC）技术的进步实现了半桥和栅极驱动器的集成，提供了简化布局、最小化面积和降低成本的单芯片解决方案。

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。

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。

本文最初由M. Di Paolo Emilio发表在Power Electronic News网站上。

新兴计算应用需求更大的功率和更小的外形尺寸。除了不断扩展的服务器市场需求外，一些最具挑战性的应用包括多用户游戏系统、自动驾驶汽车和人工智能。这些应用正在产生对可在靠近处理器的主板上挤压的DC-DC转换器的需求。

计算和电信市场的快速扩展要求中间总线转换器提供更加紧凑、高效和高功率密度的解决方案。LLC谐振转换器是提供高功率密度和高效解决方案的出色候选者。eGaN® FETs凭借其超低的导通电阻和寄生电容，有助于LLC谐振转换器显著降低损耗，而这是使用硅MOSFET时很难实现的。采用EPC2053和EPC2024等eGaN FETs的48 V到12 V，900 W，1 MHz LLC DC到DC变压器（DCX）转换器被证明实现了98.4%的峰值效率和超过1500 W/in3的功率密度。

eGaN® FETs和ICs由于其紧凑的尺寸、超高速开关和低导通电阻，使得非常高密度的电源转换器设计成为可能。大多数高密度转换器输出功率的限制因素是结温，这需要更有效的热设计。eGaN的芯片级封装还提供了六面散热，能够从芯片的底部、顶部和侧面有效地散热。本应用说明介绍了一种高性能的热解决方案，以提高基于eGaN转换器的输出电流能力。

eGaN® FET能够比Si MOSFET更快地切换，因此需要更加仔细地考虑PCB布局设计，以最大限度地减少寄生电感。寄生电感会导致更高的过冲电压和较慢的切换过渡。本应用说明回顾了设计具有eGaN FET的最佳功率级布局的关键步骤，以避免这些不良影响并最大化转换器性能。

介绍：高效电力转换感谢作者和科罗拉多大学博尔德分校 | CUB · 电气、计算机和能源工程系 (ECEE) 的贡献。