【導讀】工程師福音，全新領域的功率器件氮化鎵，電阻方面可實現更高的輸出電流，并且不會增加元件的數量、成本及復雜性并降低功率密度，是不是很炫？到底是如何實現的，將來如何發展？看本文詳解！
與硅器件相比，由于氮化鎵的晶體具備更強的化學鍵，因此它可以承受比硅器件高出很多倍的電場而不會崩潰。這意味我們可以把晶體管的各個電端子之間的距離縮短十倍。這樣可以實現更低的電阻損耗，以及電子具備更短的轉換時間。總的來說，氮化鎵器件具備更快速的開關、更低的功率損耗及更低的成本優勢。
性能優越
優越的功率器件必需具備以下6個特性：1）器件需要具備更低的傳導損耗、更低的阻抗；2）開關必需更快速并在硬開關應用中如降壓轉換器具備更低的損耗；3）更低的電容、更少充電及放電損耗；4）驅動器使用更少功率；5）器件更細小(縮小占板面積）及6）因為需要更高輸出電流和功率密度而需要更低的熱阻。
我們為工程師帶來可支持意想不到的全新領域的功率器件。在電阻方面，之前我們在DC/DC轉換器并聯氮化鎵場效應晶體管(eGaN FET)從而實現更高的輸出電流。可是，這會增加元件的數量、成本及復雜性并降低功率密度。與第二代氮化鎵器件相比，第四代eGaN FET可以大大降低阻抗，從而使得基于eGaN FET 的DC/DC轉換器具備更大電流及高功率密度。如圖1所示，采用第四代30 V 的eGaN FET的轉換器的阻抗只是1 mΩ，即降低了阻抗達2.6倍。如果采用第四代100 V的eGaN FET，與第二代100 V的器件相比，阻抗只有2.4 mΩ，即降低了阻抗達2.3倍。
圖1：第二代及第四代氮化鎵器件的阻抗的比較。
Drain to source：漏源電壓
此外，與等效的先進硅功率MOSFET相比，第四代eGaN FET減少硬開關FOM達5倍(200 V器件)、 8倍( 100 V器件)及 4.8倍(40 V器件)，見圖2。
圖2：第二代及第四代氮化鎵器件的硬開關FOM并與硅功率MOSFET的比較。
至于封裝方面，eGaN FET如果使用MOSFET的傳統封裝不會比MOSFET更好。如果使用芯片規模封裝，結果卻截然不同。圖3是在PCB板上的一個典型晶體管的截面圖。熱量主要從兩個途徑散出：從焊錫接面散進PCB板(如RθJB展示)或從晶體的背部散出(RθJC)，之后，外殼至環境的熱阻(RθCA)及電路板至環境的熱阻(RθBA)將影響散熱效率。雖然eGaN FET比先進的硅MOSFET的體積更小，使得熱阻相對于可散熱的面積來說應該增加了。然而，eGaN FET的封裝具備超低的結點至電路板熱阻(RθJB)并與MOSFET的封裝的熱阻相等。
圖3：氮化鎵器件的散熱效率。
Silicon Substrate：硅襯底
Active GaN Device Region：活躍氮化鎵器件區域
最重要的是，eGaN FET可以雙面散熱從而可以進一步提高其散熱效率。至于從結點至外殼(RθJC)的熱阻，除了30 V的MOSFET具有與eGaN FET可比的熱阻外，在更高壓時，eGaN FET具備無可匹敵的散熱性能。
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電源轉換系統可提高效率
圖4展示了eGaN FET與先進硅MOSFET模塊相比較的電源轉換效率，從實驗結果可以看到，eGaN FET 12 V轉1.2 V、40 A的負載點轉換器工作在1MHz開關頻率時可實現超過91.5% 效率。此外，一個采用eGaN FET的器件、48 V 轉12 V、 40 A的硬開關降壓轉換器而成為一個非隔離型DC/DC中間總線轉換器工作在300 kHz的頻率時可以實現超過98%的效率(圖5)。
圖4：氮化鎵器件可以提高DC/DC轉換效率。
圖5：eGaN FET在更高壓的DC/DC轉換器可以提高效率。
MOSFET Module：MOSFET 模組
Loss Reduction：損耗降低
Output Current：輸出電流
Efficiency：效率
業界首個氮化鎵IC
由于減少了需要互相連接2個分立式晶體管的板位，單片式半橋器件IC系列(EPC2100)可縮小占板面積大約 30%，從而縮小整體的系統尺寸，而且，因為速度增加了，因此可以去除功率環路電感。在1 MHz的工作頻率下，分立式FET在更大電流下更具優勢，這是由于下面的分立式FET具備更低的導通損耗。可是，在4 MHz時，單片式eGaN FET比分立式FET的性能優越很多，這是因為減小了寄生電感，改善了版圖及技術(圖6）。我們也可以利用更高壓的單片式半橋eGaN FET(例如80 V 的EPC2105)高效地實現從48 V轉至1 V的單級轉換。
圖6：工作在4 MHz頻率的單片式半橋IC比分立式器件的性能更為優越。
Output Current：輸出電流
Efficiency：效率
33% die size reduction：減小了33%的裸片面積
Discrete Transistors：分立式晶體管
滲透進廣泛的應用中
目前已經有很多應用使用eGaN FET或利用它開發全新應用。有四種應用已經占去潛在市場的一半份額：無線電源傳送、LiDAR、包絡跟蹤及DC/DC 1/8磚式轉換器應用。
無線電源傳送
全球無線充電市場估計在2018年達100億美元，CAGR達42.6%！無線電源傳送應用采用的標準頻率為6.78 MHz，這是由于可用薄薄的線圈及屏蔽。MOSFET在這頻率下并不高效，eGaN FET則是這個應用的理想器件。業界領袖包括Qualcomm、Intel、Broadcom、Samsung、Deutche Telecom、Delphi及Witricity組成一個聯盟(A4WP)，利用由MIT隊伍開發的高度諧振無線電源技術，發展高頻無線功率傳送標準(6.78 MHz)并把它商用化。目前使用的無線電源傳送的應用包括移動電話、游戲控制器、手提電腦、平板電腦、醫療用的植入式儀器及電動汽車。
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光學遙感技術
光學遙感技術 (LiDAR)使用鐳射脈沖快速形成三維圖像或為周圍環境制作電子地圖。該技術可實現高準確性、覆蓋更遼闊幅員及加快收集數據的速度及提高效率，其傳統應用包括繪制地圖、海岸線管理、地質測量、氣象學及探索自然資源等應用。相比日益老化的MOSFET器件，目前氮化鎵場效應晶體管的開關速度快十倍，使得LiDAR系統具備優越的解像度及更快速反應時間等優勢，由于可實現優越的開關轉換，因此可推動更高準確性。這些性能推動全新及更廣闊的LiDAR應用領域的出現包括支持電玩應用的偵測實時動作、以手勢驅動指令的計算機及自動駕駛汽車等應用(圖8）。
圖8：采用LiDAR技術的應用。
包絡跟蹤
當無線傳送的數據日益增加，我們需要先進技術把更多的數據bits放進每一個射頻頻道。這種技術提高功率放大器的峰值/平均功率的比率(PAPR)。包絡跟蹤技術可以在具有高PAPR比率的系統內使功率放大器實現最高效率。在一個使用包絡跟蹤的系統內，一個高頻DC/DC包絡跟蹤轉換器替代電池或靜態DC/DC轉換器，從而追蹤包絡信號，為功率放大器提供所需電壓，可提高系統效率高達一倍。實現包絡跟蹤有很多不同方法但目的相同 -- 使得功率轉換器可以在超高頻下工作，例如需要20 MHz頻帶才可以高效地追蹤3G信號(圖9)。
圖9：包絡跟蹤應用。
隔離式1/8磚式轉換器
eGaN FET比先進的硅基MOSFET器件更細且更高效。為了展示它如何實現更高功率密度、更低成本及更高效，我們設計一個全穩壓型、隔離式1/8磚式轉換器。 該設計是一個基于氮化鎵器件、傳統硬開關、全穩壓型、使用中央抽頭次級線圈的全橋式轉換器。最好的全穩壓型1/8磚式的輸出功率為300 W，在滿載條件下的效率大約是94.7%。 采用eGaN FET的設計，我們在500 W可實現的滿載條件下的效率為96.5%。在氣流為400 LFM時，板上最高溫度只是100°C，這是變壓器。eGaN FET在500 W輸出功率時的溫度為91°C或更低(圖10)。
圖10：500 W、1/8磚式轉換器的效率。
硅以外的氮化鎵新時代
氮化鎵器件可以改善其他應用包括提高MRI成像系統的解像度、使得D類音頻放大器的成本更低而同時音質可以更高(因為eGaN FET具備快速開關的性能）、更節能的LED照明系統及更輕盈、快速操作的機器人。
當氮化鎵器件進入硅器件的領域之同時，eGaN技術發展迅猛，可滿足工程師的設計需要，提供更高效及性能更優越的器件。該技術被證明為具備優越的散熱效率及高可靠性。價格是封阻可替代硅MOSFET器件的氮化鎵晶體管的普及化的最后一個壁壘，而目前價格也已經下降。氮化鎵器件的性能及更低的成本實現了以前不可能成真的趨勢及應用，為半導體業界續寫摩爾定律的輝煌。
