新的200V氮化鎵（eGaN）器件性能優勢是老化的矽功率MOSFET的兩倍。
技術分享雜談GaN技術 – Alex Lidow, Ph.D.
八月 21, 2020
Efficient Power Conversion (EPC) 正在將老化的矽功率 MOSFET 和 eGaN® 電晶體之間的性能差距加倍至 200 V 等級。這些第五代新裝置的尺寸約為上一代的一半。這一性能提升主要來自於兩個設計上的差異，如圖 1 所示。左邊是第四代 200 V 增強模式 GaN-on-Si 工藝的橫截面。右邊的橫截面是第五代結構，閘極和源極電極之間的距離縮短，並新增了厚金屬層。這些改進，加上許多未顯示的改進，使新一代 FET 的性能翻倍。
圖 1：第四代 GaN FET 橫截面（左）與第五代裝置（右）的比較。請注意第五代產品中閘極和漏極之間的距離更近，以及新增了第四層金屬。
前兩款產品，EPC2207 和 EPC2215，如圖 2 所示，並與上一代 eGaN FET 進行了比較。例如，EPC2207 為 2.6 mm2，而 EPC2010C 為 5.8 mm2，但 EPC2207 具有更低的 RDS(on)、更低的 QG、QGD 和更低的 QOSS。
圖 2：第五代產品與其第四代前輩的比較。功率密度約為兩倍。
為了說明相較於矽功率 MOSFET 的顯著性能優勢，圖 3 將第四代和第五代 eGaN FET 與 Infineon 的基準矽器件 IPT111N20NFD 進行比較。EPC2215 的 RDS(on) 低了 33%，但尺寸卻小了 15 倍。閘極電荷 (QG) 新技術比前代小了六倍多，而且像所有 eGaN FET 一樣，沒有反向恢復電荷 (QRR)，從而實現更低失真的 D 類音頻放大器以及更高效的同步整流器和電機驅動器。
圖 3：第四代和第五代 eGaN FET 與基準矽功率 MOSFET 的比較。第五代將已經很大的性能差距再翻一倍。
在圖 4 的性能圖中可以進一步確認新一代 200 V eGaN FET 的優勢。圖中展示了 Infineon 200 V MOSFET 基準裝置、舊一代 EPC2034C 和第五代 EPC2215 的比較。儘管 EPC2215 的尺寸僅為舊款 EPC2034C 的 60%，其性能卻優於 EPC2034C。矽 MOSFET 的性能顯然更差。
圖 4：Infineon IPT111N20NFD、EPC2034C 第四代 eGaN FET 和 EPC2215 第五代 eGaN FET 在 150 V 至 12 V 直流轉換器中的效率比較。
對於這些新一代 eGaN FET 這麼小的器件，一個常見的問題是它們在操作中散熱效果如何。由於芯片級封裝，熱效率遠高於包裝中的可比矽器件。例如，圖 5 是一個 4 mm2 eGaN FET，顯示出 6 W 功率下 4 °C/W 的熱阻。我們展示的是模擬圖像以便於理解，但實際器件的能力已經實驗驗證。
圖 5：模擬 4 mm2 eGaN FET 的熱成像圖，顯示熱阻為 4°C/W。這一性能已通過實驗驗證。
考慮到這些新一代 200 V eGaN FET 的明顯優勢，人們可能會認為它們的價格會很高。然而，EPC 將這些最先進的電晶體定價 與其老舊的矽功率 MOSFET 相當。
這些先進器件的應用包括D 類音頻、同步整流、太陽能 MPPT（最大功率點追蹤器）、直流-直流轉換器（硬切換和諧振）以及多級高壓轉換器。
圖 6 是一個使用僅六個 EPC2215 器件的2.5 kW 四級圖騰柱 PFC。通過堆疊 200 V 額定的 eGaN FET，這個 PFC 的輸入電壓可以達到 400 V，如圖 7 所示，效率達到 99.25%。
圖 6：2.5 kW 四級圖騰柱功率因數校正（PFC）電路的電路圖和照片。這個系統使用六個 EPC2215 器件，使輸入電壓可達到 400 V。
圖 7：圖 6 系統的效率與負載功率的關係。峰值效率達到 99.25%，全負載效率超過 99%。
EPC 的第五代 eGaN FET 在更小、更高熱效率的尺寸下實現了更高的性能，且成本相當。除了圖 4 中的降壓轉換器和圖 6 中的圖騰柱 PFC 外，這些新一代 200 V eGaN FET 非常適合 49 VOUT 同步整流和 D 類音頻應用。老化的功率 MOSFET 的淘汰變得越來越明顯。