现在是将GaN IC商业化的时候了
2023/8/24 10:20:08 材料来源：雅时化合物半导体
在单个GaN芯片中结合多个电力电子功能的功率IC将在全球电气化中发挥重要作用
作者：GERALD AUGUSTONI, PLINIO BAU, DOMINIQUE BERGOGNE, FLORIAN COUVIN AND RYM HAMOUMOU，WISE INTEGRATION
从家用电器和笔记本电脑到数据中心和电动汽车，电力转换系统是大多数电子器件的核心。在其中一些应用中，GaN技术将很快成为必不可少的技术，因为硅基器件已经达到了其作为电力转换平台的物理极限。
除了提高功率转换阶段的效率外，GaN还具有其他的优点。其优点主要来自于它优异的物理特性，例如：3.2 eV的带隙，这几乎是硅的三倍；3.3 MV/cm的击穿场强，大约是硅的10倍。这些优势为导通电阻和关键品质因子（导通电阻和芯片表面积的乘积）带来了极佳的价值。GaN器件可以提供高的工作电流、高的击穿电压和高的开关频率，并可以在高达650 V的工作电压下与目前的MOSFET和MOSFET超级结相竞争。
传统上，电源设计人员利用分立晶体管和大量外部组件(如驱动器、电平移位器、传感器、自举和外围器件)构建用于电源转换系统的半桥电路。通过将分立的GaN器件(而不是那些由硅制成的器件)与其他元件相结合，可以实现性能上的提升。然而，还有一种比这更好的方法--我们正在总部位于法国的Wise Integration推行这一方法。我们的团队成立于2020年，是GaN功率IC的先驱，它将多个电力电子功能整合到单个GaN芯片中。通过集成，我们正在提高速度、效率、可靠性和成本效益。
图1. WiseGan半桥。
更灵活的适配器
在过去的十多年里，主要的OEM投入了大量的精力来制造功能最强大的智能手机、最薄的笔记本电脑和尺寸最大的电视。这一趋势的共同因素是对电力的需求不断增长，以实现每秒共享大量数据。
不幸的是，OEM并没有对放置在他们产品旁边的适配器给予太多关注。这导致了依赖于硅基晶体管的电源表现得非常笨重且低效。但这种情况正在开始逐渐发生改变。
早在2019年，GaN技术就渗透到了消费电子市场，最初是30-100 W的适配器。从那时起，这种宽禁带技术得到了广泛的应用，成为下一代电力转换技术的选项。如今，大多数移动设备制造商都承认，适配器是必须重视的一部分，移动性要求适配器紧凑且轻便，与其主要产品战略保持一致。电源供应现在正成为该产品不可或缺的一部分。
功率密度是GaN的主要“驱动因素”，而效率正变得越来越重要，以满足从100W到3kW的AC-DC/DC-DC电源的新需求，尤其是对于数据中心行业。对于这一特定市场，在相同的外形尺寸下需要更高的功率才能达到高能效水平。
图2：集成半桥晶体管，由同一封装中的一个低端和一个高端功率开关组成。
GaN在2022年度过了美好的一年。随着它越来越受欢迎，它变得具有成本竞争力，不断扩大的需求促使几家全球生产商增加GaN生产线。在系统层面上，用不了多久，AC-DC模拟控制器就会“兼容GaN”。然而，他们的GaN能力将不会得到充分利用，因为他们仍然在低频切换。
现在是GaN行业开始克服这一限制并带来下一个重大能源和功率提升的时候了。这可能要源于从分立的GaN器件转向GaN IC，从而提高系统级的效率，并使材料成本比传统硅基电源更具竞争力。
GaN IC设计
为了实现这一愿景，我们一直在使用不同的形状因数和金属化策略制作不同的HEMT原型。我们的工作包括使用多项目晶片对100 W到1 kV应用的GaN晶体管进行建模和设计。这些研究使用了法国微电子研究所CEA-Leti的专业知识。通过这次合作，我们为大规模生产奠定了坚实的基础。
在我们建造的所有多项目晶圆和原型中，我们承担了专注于功率晶体管布局拓扑的研发项目。从基体金属化到梳状金属化，我们发现了影响性能参数的金属路径的寄生贡献，导致寄生电容、导通电阻和栅极内阻值的不同。我们发现，焊盘在平面图中的位置，影响由键合导线引起的寄生导通电阻，以及由金属方块计算出的电流和金属电阻的分布。改变焊线在功率IC版图中的位置，通过两种方式影响最终的导通电阻：由于金属化内部电流分布的变化而导致的版图后模拟和性能参数的变化；以及并联添加的焊线会影响最终的电阻。在过去的两年里，我们已经搭建了数百个原型，优化出最好的。我们还对不同电路策略的原型、二极管电路、数字输入/输出钳位电路和功率钳位电路进行了ESD测试。
当我们相聚在国际会议上时，除了讨论功率晶体管外，还有与GaN功率集成的模拟电路相关的对话。为了获得高性能的电路，显然需要克服制造角色散和电荷捕获效应。另一个障碍是缺乏用于负载电路的p型晶体管。然而，设计者可以通过调整他们的电路拓扑来克服这些挑战。许多公司已经展示了模拟电路�？�，如基准电压源、欠压锁定、ESD电路、比较器和运算放大器，开关频率高达10 MHz。这些�？榛辜嫒莞叽�650 V的电压和高达1 kW的功率。
系统级优势
限制使用硅基MOSFET系统性能的一个根深蒂固的因素是这种晶体管的品质因数--它是其导通电阻以及其内部栅源和栅漏电容综合指标。从硅到GaN的转变使设计师可以获得更好的品质因数。对工作频率不再有限制，它可以是硅的十倍。
图3. 典型的带有模拟控制的氮化镓电源。
然而，这并不像看起来那么简单，因为提高系统频率还有另一个障碍。如果转换器中的GaN晶体管不工作在软开关条件下，即晶体管每次开启时的电压接近于零或受到限制—即由于晶体管的电容以及系统电容而存储的能量必须在GaN中耗散，从而导致晶体管迅速过热。虽然这对于以100 kHz或更低的频率运行的系统来说是可以接受的，但对于我们系统的典型工作频率在500 kHz到2 MHz的器件就不能接受了。
我们的解决方案是始终工作在软开关条件下，需要通过特定的控制和拓扑来实现。为了确保每个器件都能做到这一点，我们启动了WiseWare控制器(参见图4)。
图4.WiseWare 1数字控制。
驱动力
GaN集成电路注定是迈向高功率密度和系统集成道路上的下一站，这是半导体取得历史性成功背后的两个关键驱动因素。但针对电力电子，尤其是电力电子晶体管，在集成方面一直落后，因为形成垂直架构所采用的复杂工艺阻碍了这一进程。
我们坚信，由我们的GaN横向工艺提供的集成将在系统层面带来好处。实现集成是向前迈出的关键一步，因为它总是能够减少系统尺寸和增加复杂性，从而提高可靠性和性能。
我们的GaN IC将为市场带来好处，因为它们实现了以下几方面的好处：1）通过减少组件数量和最大限度地减少功率损耗，缩小了系统尺寸，从而实现了用于散热的实用封装；2）增加了复杂性，从而可以优化系统性能，包括更好地整形电源信号；3）由于电路板上的组件更少，提高了可靠性；4）由于集成了驱动器，提高了可靠性，包括早期检测异常；5）由于集成了驱动器，更快的开关器件具有更好的性能，通过减少寄生分量并确保更好的开关性能来实现更高的工作频率。此外，还有机会引入“在位功率感应”，通过集成在功率晶体管芯上的传感器将转换器的真实状态反馈给控制器。
当然，这种演进需要几个步骤。然而，这些努力是值得的，因为它们为GaN市场的未来提供了主要动力。虽然进步可能需要几十年，但其结果将是系统设计的一场革命，从而以低成本提供无与伦比的性能。
数字控制
数字GaN是利用GaN IC实现高性能的一个很有前途的选择。这是一种颠覆性的数字控制方法。不再需要将模拟信号块 ‘转换’为数字块，而GaN IC和数字GaN控制器的功能以这样一种方式划分，即每个部分都提高了另一个部分的性能。电流检测通常很难实现，但数字GaN解决方案使电流的分析评估成为可能，从而创建了一个虚拟电流传感器。这种传感器只需几行代码，可防止损耗、节省印刷电路板面积、减少材料成本并消除模拟传感器问题(参见图5)。
图 5：WiseWare 2 数字控制。
数字GaN的另一个优势是，它将高分辨率的脉宽调制提高到模拟控制器无法达到的水平。通过提供精确的亚纳秒时间分辨率的机会，结合高性能微控制器单元(MCU)，零电压开关推出了新的解决方案--这是一种可达到极高开关频率而不增加开关损耗的技术，这要归功于所谓的“软开关”。通过计算准确的开关时间，数字GaN控制器可以使用低带宽饥饿传感器和开关器件的模型来执行零电压开关。
请注意，高频开关电压波形不会被测量或感测。相反，缓慢变化的变量被馈送到MCU模数转换外围设备。
数字GaN开辟了从电力阶段到云阶段的新途径，通过大幅减少交换的数据量来帮助应对气候变化。数字GaN位于电源单元和电源转换器的核心，可以收集电源电路的性能数据，以计算运行状况和使用数据。通过处理机载数据可以生成超低带宽的数据流:每天只需要几千字节就可以提供用于监控使用大量电源单元的大型设施的最佳信息。
通过在数据世界和电力世界之间提供智能链接，数字GaN实现了远程固件更新，以及通过互联网激活功能。这种可能性在许多计算设备中很常见，例如网吧、电视和计算机主板。
也有机会向电动汽车提供电力和数据。对于满足消费电子产品、移动电子产品、数据中心和工业应用等各种数据需求的电源系统来说，提供传输这些数据所需的海量电力的压力将越来越大。帮助满足这一需求的是我们的GaN IC，它在单个GaN芯片中结合了多种电力电子功能。这样做的回报是：更高的速度、更高的效率、更高的可靠性和成本效益，同时数字控制开辟了从电力阶段到云的新途径，同时通过大幅减少交换的数据量来实现环境友好。
延伸阅读
Ø P. Bau et al “Static and dynamic measurements for GaN integrated switches”, International Exhibition and Conference for Power Electronics (PCIM 2022) †
Ø D. Bergogne et al “Integrated GaN ICs, development and performance” 21st European Conference on Power Electronics and Applications (EPE’2019)
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