雜談GaN技術

磚式DC-DC轉換器廣泛應用於數據中心、電信和汽車應用，將標稱48V匯流排轉換為（或從）標稱12V匯流排。氮化鎵（GaN）集成電路（IC）技術的進步使得半橋和閘極驅動器得以集成，從而形成單芯片解決方案，簡化了佈局、最小化面積並降低成本。

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。

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。

這篇文章最初由 M. Di Paolo Emilio 發表於 Power Electronic News 網站。

新興的計算應用需要更強大的功能和更小的外形尺寸。除了伺服器市場日益增長的需求外，一些最具挑戰性的應用是多用戶遊戲系統、自動駕駛汽車和人工智慧。這些應用正在產生對DC-DC轉換器的需求，這些轉換器可以在接近處理器的位置擠進主板。

計算和電信市場的快速擴展對中間總線轉換器提出了越來越緊湊、高效和高功率密度的解決方案需求。LLC諧振轉換器是一個提供高功率密度和高效率解決方案的優秀候選者。eGaN® FET 以其超低導通電阻和寄生電容，顯著減少了LLC諧振轉換器的損耗，而這在使用矽MOSFET時是具有挑戰性的。展示了一個採用eGaN FET如EPC2053 和EPC2024 的48 V到12 V、900 W、1 MHz LLC DC到DC變壓器（DCX）轉換器，其峰值效率達到98.4%，功率密度超過1500 W/in3。

eGaN® FETs 和 ICs 由於其緊湊的尺寸、超快的切換速度和低導通電阻，使得非常高密度的電源轉換器設計成為可能。大多數高密度轉換器的輸出功率限制因素是結點溫度，這促使了對更有效的熱設計的需求。eGaN的芯片級封裝還提供了六面散熱，有效地從晶片的底部、頂部和側面提取熱量。本應用筆記介紹了一種高效的散熱解決方案，以擴展基於eGaN的轉換器的輸出電流能力。

eGaN® FET 的切換速度比矽 MOSFET 快得多，因此需要更仔細地考慮 PCB 佈局設計，以盡量減少寄生電感。寄生電感會導致更高的過衝電壓和較慢的切換過渡。本應用說明回顧了設計最佳功率級佈局的關鍵步驟，以避免這些不良影響並最大化轉換器性能。

簡介：感謝科羅拉多大學博爾德分校 | CUB · 電機、計算機與能源工程系 (ECEE) 的作者和貢獻。