氮化鎵整合式元件實現更高直流-直流轉換效率及功率密度

宜普電源轉換公司Alex Lidow、David Reusch及Johan Strydom


氮化鎵生長在矽晶體上並轉化爲增强型氮化鎵場效應電晶體(eGaN®FET)可推動全新、讓人驚訝的終端應用如無綫電源傳送、光學遙感技術(LiDAR)及波峰追縱應用[1]。此外,由於氮化鎵場效應電晶體在性能方面取得重大增益,因此可以在目前大部份的應用替代矽基功率MOSFET元件包括交流-直流及直流-直流功率轉換應用並將取得這些舊有元件目前的120億美元市場份額。

氮化鎵技術的發展進程還是剛剛開展,由於該技術遠遠未達到它理論上的性能極限,因此可合理地預期它可以根據像摩爾定律般改進。摩爾定律預測微處理器技術的發展將最少在未來十年內於産品性能方面可在每兩年至四年之間倍增。

Moore's Law for eGaN FETs
Moore's Law for eGaN FETs
圖一:我們預測氮化鎵場效應電晶體的性能可於每兩年之間得以倍增,因此可用更小型外形實現更高性能。

除了性能及成本得以改善外,氮化鎵技術最大的機遇是它的固有特性可整合多個元件於相同的基板上,從而對功率轉換市場的影響深遠。與常用的矽積體電路技術相反,氮化鎵技術將來可讓設計師更直接地及以低成本在單一晶片上實現單片式功率系統。

目前在功率轉換應用最常用的基本拓撲是半橋拓撲,它因此成爲實現功率系統晶片(SoC)的起點。

在單晶片上整合兩個氮化鎵場效應電晶體(eGaN FET)形成單片半橋元件並使用晶片尺寸封裝(Bump Side)
圖二:在單晶片上整合兩個氮化鎵場效應電晶體(eGaN FET)形成單片半橋元件並使用晶片尺寸封裝(Bump Side)。
圖二展示的元件的Pin-out
圖三:圖二展示的元件的Pin-out。

圖二展示了第一個可作商業用途的增强型單片式半橋氮化鎵電晶體(EPC2100)。每一個元件的額定電壓爲30 V。 上面的場效應電晶體(Q1)的導通電阻(RDS(on))典型值爲6 mΩ,而下面的場效應電晶體(Q2)的導通電阻(RDS(on))典型值爲1.5 mΩ。它使用晶片封裝方式,可以改善開關速度及散熱性能。其尺寸爲6 mm x 2.3 mm。

圖三是元件的pin-out配置。Gate 1是高側閘極引脚 。
GR1 是高側閘極回路引脚。Gate 2是低側閘極引脚。VSW是半橋的開關節點並包含並聯連接在印刷電路板上的35只獨立焊錫引脚。VIN是對頂部場效應電晶體(Q1)的汲極提供輸入電壓,包含8只並聯連接的引脚。PGND是在下面的場效應電晶體(Q2)的源極端的功率接地連接,包含29只並聯連接的引脚。通過整合兩個功率場效應電晶體形成單片式元件,可以去除互連電感及印刷電路板上所需的空隙。這樣可以提高效率(尤其是在更高頻率時)及功率密度並同時降低組裝成本。

表一展示出半橋式積體電路産品系列首先推出的三個元件。EPC2100積體電路的每一個電晶體的額定電壓爲60 V。 上面的場效應電晶體(Q1)的導通電阻典型值爲11.5 mΩ,下面的場效應電晶體(Q2)的導通電阻典型值爲2.7 mΩ。EPC2105 的每一個電晶體的額定電壓爲80 V。 上面的場效應電晶體(Q1)的導通電阻典型值爲14.5 mΩ,下面的場效應電晶體(Q2)的導通電阻典型值爲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:整合式氮化鎵功率元件的産品選型指南

這個半橋式積體電路系列中的每一個器件內,高側場效應電晶體的尺寸大約是低側元件的四分之一,具備高VIN/VOUT比,在降壓轉換器可實現最優越的直流-直流轉換效率(見圖四)。

這是一個12 VIN、1.2 VOUT的降壓轉換器
圖四:這是一個12 VIN、1.2 VOUT的降壓轉換器。左圖是電路原理圖。右圖是使用EPC2100 eGaN半橋元件的實際電路。
EPC2100 half bridge buck converter efficiency
圖五:採用EPC2100 半橋元件的降壓轉換器工作在500 KHz及1 MHz時所取得的總效率。
EPC2100 half bridge buck converter efficiency compared with discrete FETs
圖六:與分离式氮化鎵場效應電晶體 (Q1: EPC2015; Q2: EPC2023)相比,採用EPC2100半橋元件的總降壓轉換器效率。

圖五展示測量所得的電路效率。 在500 KHz及10 A時,降壓轉換器的峰值效率接近93%。在20 A時,效率可高於90.5%。

在更高頻工作條件下,整合元件的優勢更爲明顯。圖六比較兩個降壓轉換器工作在1 MHz及4 MHz頻率時它們在不同輸出電流的效率。藍綫代表採用分離式氮化鎵場效應電晶體(eGaN FET)的轉換器。黑綫代表採用EPC2100單片式半橋元件的降壓轉換器。

由於半橋的尺寸比兩個分離式場效應電晶體的總晶片尺寸小33%,因此同步整流器場效應電晶體(Q2)具高出大約50%的阻抗,以及在低頻及大電流情况下,採用單片式半橋元件的降壓轉換器具較低效率。可是,當頻率增加至4 MHz,單片式半橋元件的峰值效率比分離式元件的峰值效率高出大約2%(見圖六)。

去除在晶片與晶片之間的空隙並配以最優功率環路版圖可大大减少總功率環路電感至低於200 pH – 這是少於分离式元件EPC2015所述的一半電感[2]。這使得電壓在三分之二奈秒範圍內轉換,以及在25 A開關時的過沖也只是3.6 V(見圖七)。

已有大批量供貨的分離式氮化鎵場效應電晶體差不多達五年之久,並進駐了很多目前矽MOSFET元件的傳統應用。由於全新技術的學習曲綫及發展比舊有元件更快速,因此氮化鎵元件可實現的效率不斷拋離矽元件的效率[3]。現在設計師已有單片式eGaN 半橋元件系列的第一個産品,可節省空間、提高效率及降低系統成本。當功率轉換系統延伸至數MHz領域,整合多個分離式元件變得更爲重要以實現高系統效率及高功率密度。

Switch node waveforms for the EPC2100
圖七:EPC2100器件的開關節點波形圖:VIN = 12 V 轉至 VOUT = 1.2 V、25 A IOUT 、 1 MHz、650 ps上升時間及750 ps下降時間。

讓我們探究當負載點轉換在更高輸入電壓時, 圖八展示出采用EPC2101、工作在500 KHz頻率下的轉換器的效率。這個EPC2101爲60 V半橋式氮化鎵積體電路,可以轉換高很多的總綫電壓,例如可高效地從28 V及42 V轉至1 V。圖九展示了這個轉換應用的開關節點波形圖。

Total buck converter efficiency
圖八:採用EPC2101半橋式積體電路的總降壓轉換器的效率。
Switch node voltage
圖九:在 VIN=42 V、VOUT=1、V IOUT=20 A及fsw=500 kHz時的開關節點電壓。

當負載點轉換在更高輸入電壓時,圖十展示了採用EPC2105、轉換器工作在500 KHz頻率時的效率。EPC2105爲80 V半橋式氮化鎵積體電路,可以高效地從48 V轉至1 V。當全降壓轉換器系統在16 A時可實現超過80%的峰值效率,並可以减去數據通信系統通常需要的兩級電壓轉換。

Total buck converter efficiency
圖十:採用EPC2105半橋式積體電路與採用分離式氮化鎵場效應電晶體(eGaN FET)的總降壓轉換器的效率的比較

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.

已經可以大批量供貨的分離式氮化鎵場效應電晶體差不多達五年之久,並進駐了很多目前矽MOSFET元件的傳統應用。由於全新技術的學習曲綫及發展比舊有元件更快速,因此氮化鎵元件可實現的效率不斷拋離矽元件的效率[3]。現在設計師已有單片式eGaN半橋元件系列的三個産品,可以節省電路板的占板面積、提高效率及降低系統成本。當功率轉換系統工作在數MHz頻率時,整合多個分離式元件變得更爲重要,以實現高系統效率及高功率密度。

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

參考資料:

  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/tw/產品/eGaNFET及集成電路/Gen4eGaNFETs.aspx

 

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