ePower™ Stage – 重新定義功率轉換
技術分享雜談GaN技術 – Renee Yawger
三月 16, 2020
除了性能和成本改進之外，GaN技術對電源轉換市場的最重大影響來自於其內在能力，可以在同一基板上集成多個設備。與標準的硅IC技術相比，GaN技術允許設計師以更簡單和更具成本效益的方式在單個芯片上實現單片電源系統。
今天，電源轉換中最常用的構建塊是半橋。2014年，EPC推出了一系列集成半橋設備，這成為了向單片電源系統進發的起點。這一趨勢隨著 EPC2107 和 EPC2108 的推出而擴展，這些產品集成了帶有同步自舉的半橋。2018年，我們進一步推進了集成路徑，推出了將門驅動器與高頻GaN FET集成在單個芯片中的eGaN IC，以提高效率、減小尺寸和降低成本。現在，ePower™ Stage IC系列通過在單個GaN-on-Si集成電路中集成所有功能，並在超越硅的更高電壓和更高頻率水平上重新定義了電源轉換。
EPC2152 – 80 V, 12.5 A ePower™ Stage
EPC2152 是一款使用EPC專有GaN IC技術的單芯片驅動器加eGaN® FET半橋電源級。輸入邏輯接口、電平移位、自舉充電和門驅動緩衝電路以及配置為半橋的eGaN輸出FET都集成在單個芯片內。這使得該設備成為僅為3.9毫米x 2.6毫米x 0.8毫米的芯片級LGA形狀因數設備，適用於80 V、12.5 A的氮化鎵基電源級集成電路。根據操作條件，該設備可以在PWM頻率範圍內運行高達3 MHz，顯著高於使用MOSFET分立或IC解決方案所能達到的水平。
輸出設備配置為半橋，RDS(on) 對於高端和低端FET都小於10 mΩ。內部門驅動電路設計與輸出FET匹配，從0 V到60 V的開關時間在額定電流下小於1 ns。
高頻操作的延遲時間小於20 ns，且高端與低端延遲時間匹配，使得使用低於10 ns的低死區時間變得更加容易。
輸入與3.3 V邏輯兼容，使用戶可以直接與MCU或模擬控制器接口。
EPC2152採用晶圓級芯片級封裝（WLCSP）並具有LGA輪廓。焊點的佈局是根據電流流動方向設計的，以盡量減少實際PCB應用中的電源迴路電感。EPC的開發板（EPC90120）的電源迴路電感小於0.2 nH。
設計簡易性
EPC2152取代了至少三個分立芯片：門驅動器加兩個FET，使設計和製造變得更加容易。與分立實現相比，該設備可節省至少33%的印刷電路板空間。這系列產品使設計師能夠輕鬆利用GaN技術帶來的顯著性能提升。單個芯片中的集成設備設計更容易，佈局更簡單，組裝更便捷，節省PCB空間，並提高效率。
48 V DC-DC
EPC2152的目標應用是需要高效率和小尺寸的DC-DC轉換器。這些對於電信、伺服器和客戶端計算、工業、汽車和軍事市場都是至關重要的優勢。該設備可設計用於降壓和升壓轉換器以及LLC轉換器。一些客戶甚至嘗試在切換電容拓撲中使用該設備。
EPC使用EPC2152構建並測試了一個具有VIN = 48 V，VOUT = 12 V，fSW = 1 MHz和IOUT = 12.5 A的降壓轉換器。該降壓轉換器的峰值效率超過96%，比分立GaN FET更好，且顯著優於分立MOSFET或單片MOSFET IC電源級。
電機驅動
ePower Stage的另一個有前途的應用是電機驅動逆變器，用於機器人、無人機和電動滑板車。這些電機驅動應用需要更輕的重量、更高的帶寬和更低的扭矩波動，這些都是使用EPC21521構建的逆變器的優勢。
EPC使用EPC21521為電動滑板車的電機供電製造了一個原型。ePower Stage設備用於三相正弦激勵，10 ARMS每相，15 A峰值電機驅動，提供了一個高效、安靜、高性能且低成本的BLDC電機解決方案，用於電動出行。
未來展望
EPC2152是首款產品，將成為廣泛的集成電源級系列的一部分，這些產品將以芯片級封裝以及共封裝模塊形式提供。預計在一年內，這系列產品將涵蓋高達3至5 MHz範圍的高頻操作以及每個電源級15 A至30 A的高電流。
最終目標是實現一個僅需來自微控制器的簡單數字輸入的單一組件IC，並在所有條件下可靠地生產電力輸出，以最小的空間和最經濟的方式驅動負載。