單片集成 GaN 功率 IC 如何提高功率密度并減少元件數量？
加入技術交流群
與傳統硅芯片相比，單片集成 GaN 功率 IC 具有顯著優勢，包括卓越的效率、更小的尺寸、更高的速度和更低的成本。GaN 的特別之處在于其天然特性，例如更高的臨界電場、更低的導通電阻和更小的寄生電容。
半導體工程師現在正在采用一種稱為單片集成的智能方法，該方法涉及將所有電路組件構建在單個芯片上，而不是連接單獨的部件。工程師通常在稱為硅基氮化鎵或 SOI 基氮化鎵晶圓的專用平臺上構建這些系統，這些平臺是構建在其之上的其他一切的基礎。
圖 1.GaN功率IC的單片集成方法：（a）從供體晶圓到最終金屬柵極形成的完整制造工藝流程，（b）3D GaN-Si CMOS集成的結構實現，（c）GaN晶胞的物理布局和電氣原理圖。（圖片：KnowMade)
如圖1（a）和圖1（b）所示，該技術的基礎是利用層轉移技術實現GaN和Si CMOS三維單片集成的新型柵極工藝流程。這種先進的制造工藝使工程師能夠將 Si PMOS 晶體管與 GaN 晶體管結合在同一芯片上，同時保持高品質因數。
這種方法的一個主要好處是它避免了 p 溝道 GaN 器件的復雜制造，這意味著工程師不必創建全 GaN 器件中通常需要的困難的 p 型 GaN 組件。
讓我們看看這種方法如何帶來電力電子的兩個基本好處。
單片集成如何提高功率密度？
通過使電源轉換器物理更小并使它們能夠在減少的體積內處理更多功率，可以實現更高的功率密度。這主要是由于效率提高和更高的工作頻率而實現的。
物理尺寸減?。簡纹煽煽s小芯片尺寸，并通過將多種功能整合到單個 IC 中來減小體積。這使得緊湊的設計成為可能，例如顯示應用中的納米級控制單元和更小的像素尺寸。
抑制寄生電感：在分立電源模塊中，來自引線鍵合、焊點和 PCB 走線的外部電感會阻礙功率晶體管柵極電容的充電和放電，從而減慢開關速度并增加換向損耗。
共源電感尤其成問題，因為它在導通期間感應出與柵源電壓直接相反的電壓，從而減慢電流換向并增加開關損耗。
通過將柵極驅動器與功率晶體管集成，這些外部寄生電感從柵極驅動器中移除。這使得IC設計人員能夠將內部共源電感降至最低。
單片集成的一個重要優勢是減少或消除外部共源電感和其他柵極驅動環路電感。這種現象如圖 2 所示：
圖 2.柵極驅動環路配置顯示了 GaN 集成的電感降低優勢：（a，b） 具有顯著雜散電感的分立實現與 （c，d） 具有最小寄生電感的集成 GaN 解決方案。（圖片來源：EPC Corp. Inc.)
更快的開關速度和更高的工作頻率：寄生電感的降低可實現更快的電流換向速度。圖 3 顯示 GaN 器件本質上開關速度更快。與硅同類產品相比，GaN 還表現出更低的導通電阻和更小的寄生電容。單片集成進一步增強了這種能力，允許在更高頻率下運行（例如，各種應用從 100 kHz 到 3 MHz）。更高的開關頻率允許使用更小的無源元件，從而使系統更緊湊，從而獲得更高的功率密度。
圖 3.GaN IC 雙脈沖測試：（a） 電路原理圖，（b） 封裝器件，（c） 測試 PCB，（d） 10 ns 開關轉換，可實現高頻、高功率密度作。（圖片來源：化合物半導體)
提高效率：單片集成的氮化鎵轉換器可以實現高效率，據報道，即使在高達 250°C 的高溫下，效率最高可達 80%。 效率的提高意味著以熱量形式浪費的電力更少，從而降低了熱管理要求，并允許使用更小、更輕的系統，不需要外部冷卻系統。
如何通過單片方法減少組件數量？
單片集成涉及在單個半導體基板上制造多個組件，而不是使用通過外部布線連接的分立組件。這種方法減少了電源轉換器系統中所需的單個部件數量：
構建塊的片上集成：不需要單獨的半橋、二極管、電容器、柵極驅動器、死區時間控制器、電平轉換器、PWM 電路、診斷和保護電路、穩壓器和自舉電路，其中許多或全部可以集成到單個 GaN 功率 IC 上。
簡化的控制信號：例如，帶有死區時間發生器的單片 GaN 驅動器可以僅使用一個控制信號進行作，然后該信號會自動為高側和低側驅動器生成必要的互補信號。這消除了對外部電路的需求，否則這些電路將管理和預設死區時間。這種現象如圖4所示：
圖 4.單片 GaN 功率 IC 原理圖具有集成的死區時間發生器和驅動器，從而減少了元件數量并簡化了系統設計。（圖片：IET Wiley)
減少外部驅動電路：將柵極驅動器直接與功率晶體管集成，簡化了整體電路布局，并減少了外部驅動電路的數量和尺寸。這可以包括電平轉換器、上電復位、交叉保護和延遲匹配等功能，所有這些都集成在 IC 中。
獨立功能：這種集成導致獨立的功能，甚至可以減少高溫應用中對外部散熱器或冷卻系統的需求。
總結
單片 GaN 功率 IC 不使用多個單獨的部件，而是將所有電路組件集成到單個芯片上。這種方法之所以有效，是因為 GaN 比硅具有更好的天然特性。主要優點是功率密度更高，所需組件更少。功率密度在幾個方面變得更好。
首先，物理尺寸變小。其次，寄生電感降低。第三，開關速度提高，允許高達 3 MHz 的工作頻率。第四，即使在 250°C 等非常高的溫度下，效率也達到 80%。 組件數量減少，因為許多單獨的部件集成到單個芯片中。這些部件包括柵極驅動器、死區時間控制器、電平轉換器和保護電路。當所有東西都在單個芯片上協同工作時，系統設計就會變得明顯簡單。
評論