單片集成 GaN 功率 IC 如何提高功率密度并減少元件數(shù)量？
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與傳統(tǒng)硅芯片相比，單片集成 GaN 功率 IC 具有顯著優(yōu)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(dǎo)通電阻和更小的寄生電容。
半導(dǎo)體工程師現(xiàn)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(gòu)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(gòu)建這些系統(tǒng)，這些平臺是構(gòu)建在其之上的其他一切的基礎(chǔ)。
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(jié)構(gòu)實現(xiàn)，（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(shù)的基礎(chǔ)是利用層轉(zhuǎn)移技術(shù)實現(xiàn)GaN和Si CMOS三維單片集成的新型柵極工藝流程。這種先進(jìn)的制造工藝使工程師能夠?qū)?Si PMOS 晶體管與 GaN 晶體管結(jié)合在同一芯片上，同時保持高品質(zhì)因數(shù)。
這種方法的一個主要好處是它避免了 p 溝道 GaN 器件的復(fù)雜制造，這意味著工程師不必創(chuàng)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(zhuǎn)換器物理更小并使它們能夠在減少的體積內(nèi)處理更多功率，可以實現(xiàn)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(xiàn)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(shè)計成為可能，例如顯示應(yīng)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(guān)速度并增加換向損耗。
共源電感尤其成問題，因為它在導(dǎo)通期間感應(yīng)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(guān)損耗。
通過將柵極驅(qū)動器與功率晶體管集成，這些外部寄生電感從柵極驅(qū)動器中移除。這使得IC設(shè)計人員能夠?qū)?nèi)部共源電感降至最低。
單片集成的一個重要優(yōu)勢是減少或消除外部共源電感和其他柵極驅(qū)動環(huán)路電感。這種現(xiàn)象如圖 2 所示：
圖 2.柵極驅(qū)動環(huán)路配置顯示了 GaN 集成的電感降低優(yōu)勢：（a，b） 具有顯著雜散電感的分立實現(xiàn)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(guān)速度和更高的工作頻率：寄生電感的降低可實現(xiàn)更快的電流換向速度。圖 3 顯示 GaN 器件本質(zhì)上開關(guān)速度更快。與硅同類產(chǎn)品相比，GaN 還表現(xiàn)出更低的導(dǎo)通電阻和更小的寄生電容。單片集成進(jìn)一步增強了這種能力，允許在更高頻率下運行（例如，各種應(yīng)用從 100 kHz 到 3 MHz）。更高的開關(guān)頻率允許使用更小的無源元件，從而使系統(tǒng)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(guān)轉(zhuǎn)換，可實現(xiàn)高頻、高功率密度作。（圖片來源：化合物半導(dǎo)體)
提高效率：單片集成的氮化鎵轉(zhuǎn)換器可以實現(xiàn)高效率，據(jù)報道，即使在高達(dá) 250°C 的高溫下，效率最高可達(dá) 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(tǒng)，不需要外部冷卻系統(tǒng)。
如何通過單片方法減少組件數(shù)量？
單片集成涉及在單個半導(dǎo)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(zhuǎn)換器系統(tǒng)中所需的單個部件數(shù)量：
構(gòu)建塊的片上集成：不需要單獨的半橋、二極管、電容器、柵極驅(qū)動器、死區(qū)時間控制器、電平轉(zhuǎn)換器、PWM 電路、診斷和保護電路、穩(wěn)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(qū)時間發(fā)生器的單片 GaN 驅(qū)動器可以僅使用一個控制信號進(jìn)行作，然后該信號會自動為高側(cè)和低側(cè)驅(qū)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(yù)設(shè)死區(qū)時間。這種現(xiàn)象如圖4所示：
圖 4.單片 GaN 功率 IC 原理圖具有集成的死區(qū)時間發(fā)生器和驅(qū)動器，從而減少了元件數(shù)量并簡化了系統(tǒng)設(shè)計。（圖片：IET Wiley)
減少外部驅(qū)動電路：將柵極驅(qū)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(qū)動電路的數(shù)量和尺寸。這可以包括電平轉(zhuǎn)換器、上電復(fù)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(dǎo)致獨立的功能，甚至可以減少高溫應(yīng)用中對外部散熱器或冷卻系統(tǒng)的需求。
總結(jié)
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(yōu)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(guān)速度提高，允許高達(dá) 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(dá)到 80%。 組件數(shù)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(qū)動器、死區(qū)時間控制器、電平轉(zhuǎn)換器和保護電路。當(dāng)所有東西都在單個芯片上協(xié)同工作時，系統(tǒng)設(shè)計就會變得明顯簡單。
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