GaN IC设计系统级优势分析

　　在单个 GaN 芯片中结合多种电力电子功能的功率 IC 将在全球电气化中发挥重要作用。

　　来自 WISE INTEGRATION 的 GERALD AUGUSTONI、PLINIO BAU、DOMINIQUE BERGOGNE、FLORIAN COUVIN 和 RYM HAMOUMOU

　　电源转换系统是大多数电子设备的核心，从家用电器和笔记本电脑到数据中心和电动汽车。在其中一些应用中，GaN 技术很快将成为必不可少的技术，因为硅作为功率转换平台已达到其物理极限。

　　除了提高功率转换级的效率外，GaN 还具有其他优点。它们源于其出色的物理特性，例如：3.2 eV 的带隙，几乎是硅的三倍；击穿场强为 3.3 MV/cm，约为硅的十倍。这些优势有助于实现导通电阻和关键品质因数（导通电阻与芯片表面积的乘积）的出色值。GaN 器件可以提供高电流、高击穿电压和高开关频率，并在工作电压高达 650 V 的电源应用中与电流 MOSFET 和超级结 MOSFET 竞争。

　　传统上，电源设计人员使用分立晶体管和许多外部元件（如驱动器、电平转换器、传感器、自举电路和外围设备）构建半桥电路，用于电源转换系统。通过将分立的 GaN 器件（而不是那些由硅制成的器件）与其他组件相结合，可以实现改进。然而，有比这更好的方法——我们在法国的 Wise Integration 正在追求的方法。我们的团队成立于 2020 年，是 GaN 功率 IC 的先驱，它将多种功率电子功能结合在单个 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。

　　

　　更灵活的适配器

　　在过去十年中，主要 OEM 厂商投入了大量精力来制造功能最强大的智能手机、最薄的笔记本电脑和最大的电视。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，原始设备制造商并没有过多关注放置在其产品旁边的适配器。这导致依赖于硅晶体管的笨重、笨重、低效的电源。但这种情况正在开始改变。

　　早在 2019 年，GaN 技术就渗透到了消费市场，最初是在 30-100 W 适配器中。从那时起，这种宽带隙技术得到了广泛传播，并发展成为下一代电源转换选项。如今，大多数移动设备制造商都承认适配器是等式的一部分，移动性要求它们紧凑轻便，以符合他们的主要产品策略。电源现在正成为产品不可或缺的一部分。

　　功率密度是 GaN 的主要“驱动力”，而效率对于满足 100 W 至 3 kW 的 AC-DC/DC-DC 电源的新需求变得越来越重要，尤其是对于数据中心行业。对于这个特定市场，在相同的外形尺寸下需要更高的功率才能达到高水平的效率。

　　GaN 在 2022 年表现出色。随着越来越受欢迎，它变得具有成本竞争力，不断扩大的需求促使多家全球代工厂增加 GaN 生产线。在系统层面，AC-DC 模拟控制器很快就会“兼容 GaN”。然而，它们的 GaN 功能不会得到充分利用，因为它们仍在低频下切换。

　　现在是 GaN 行业开始克服这一限制并提供下一个巨大能量和功率提升的时候了。这可能来自分立式 GaN 器件向 GaN IC 的转变，后者在系统级提高了效率，并导致材料成本比传统的硅基电源更具竞争力。

　　

　　图 2. 由同一封装中的低侧和高侧功率开关组成的集成半桥晶体管。

　　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。我们的工作涉及使用多项目晶圆为 100 W 至 1 kV 应用建模和设计 GaN 晶体管。这些调查借鉴了法国微电子研究所 CEA-Leti 的专业知识。通过这次合作，我们为大规模生产打下了坚实的基础。

　　在我们构建的所有多项目晶圆和原型中，我们开展了专注于功率晶体管布局拓扑的研发项目。从矩阵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的不同值。我们发现布局图中的焊盘定位会影响由键合线引起的寄生导通电阻，以及由金属方块计算的电流和金属电阻的分布。改变功率 IC 平面图中键合线的位置会以两种方式影响最终导通电阻：由于金属化层内部电流分布的变化，布局后仿真和性能参数发生变化；并联添加键合线会影响最终电阻。在过去的两年里，我们已经建造了数百个原型，并从中挑选出最好的。我们还对以下项目进行了静电放电 （ESD） 测试：不同电路策略的原型、带二极管的电路、数字输入/输出钳位和电源钳位电路。

　　当我们的社区聚集在国际会议上，除了讨论功率晶体管外，还有与用于 GaN 功率集成的模拟电路相关的对话。要获得高性能电路，显然需要克服制造角色散和电荷捕获效应。另一个障碍是缺少用于上拉电路的 p 型晶体管。然而，设计人员可以通过调整电路拓扑来克服这些挑战。许多已经展示了模拟电路块，例如电压基准、欠压锁定、ESD 电路、比较器和运算放大器，具有高达 10 MHz 的高开关频率。这些模块还兼容高达 650 V 的电压和高达 1 kW 的功率。

　　

　　图 3. 典型的基于 GaN 的模拟控制电源。

　　系统级优势

　　限制采用硅 MOSFET 的系统性能的一个根深蒂固的因素是该晶体管的品质因数——它是其导通电阻及其内部栅源和栅到组合的产物-漏极电容。从硅转向 GaN 让设计人员享受到更好的品质因数。工作频率不再有限制，可以达到硅的十倍。

　　然而，它并不像乍看起来那么简单，因为提高系统频率还有另一个障碍。如果转换器中的 GaN 晶体管未在软开关条件下运行——即晶体管每次导通时的电压接近于零或以其他方式受限的情况——由于晶体管的电容而存储的能量，如以及系统电容，必须耗散在 GaN 中，导致晶体管迅速过热。虽然这对于以 100 kHz 或更低频率运行的系统来说可能是可以接受的，但对于 500 kHz 至 2 MHz 的频率（我们系统的典型运行频率）而言则不然。

　　我们的解决方案是通过特定的控制和拓扑结构在软开关条件下持续运行。为确保每个人都能做到这一点，我们推出了 WiseWare 控制器（见图 4）。

　　

　　图 4.WiseWare 1 数字控制。

　　驱动力

　　GaN IC 注定是迈向高功率密度和系统集成的下一步，这是半导体取得历史性成功的两个关键驱动力。但电力电子，尤其是功率晶体管，在集成方面滞后，受制于形成垂直架构的复杂工艺。

　　毫无疑问，我们的 GaN 横向工艺提供的集成将在系统级带来好处。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并增加复杂性，从而提高可靠性和性能。

　　我们的 GaN IC 将给市场带来好处，因为它们能够：增加复杂性，这可以优化系统性能，包括更好地塑造功率信号；由于电路板上的组件更少，以及包括异常情况的早期检测在内的附加系统保护，提高了可靠性；以及更快的开关设备带来更好的性能，这要归功于驱动程序集成。后者通过减少寄生元件并确保更好的开关行为来实现更高的工作频率。此外，还有机会引入“in-power sensing”，

　　当然，这种演变需要几个步骤。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驱动力。虽然进步可能会持续数十年，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。

　　

　　图 5：WiseWare 2 数字控制。

　　数字控制

　　数字 GaN 是使用 GaN IC 实现卓越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。模拟信号块不再“转换”为数字信号块，而 GaN IC 和数字 GaN 控制器的功能以这样一种方式进行划分，即每一部分都可以提高另一部分的性能。电流感测通常实现起来很复杂，但数字 GaN 解决方案使对电流的分析估计成为可能，从而创建了一个虚拟电流传感器。这种传感器仅需几行代码，可防止损失，节省 PCB 面积，减少物料清单并消除模拟传感器问题（见图 5）。

　　数字 GaN 的另一个优势是它将高分辨率脉宽调制提升到模拟控制器无法达到的水平。通过开辟精确的亚纳秒定时分辨率的机会，结合高性能微控制器单元 （MCU），引入了零电压开关的新解决方案——这是一种在不增加开关损耗的情况下达到极高开关频率的技术，多亏了所谓的“软切换”。通过计算精确的开关时间，数字 GaN 控制器可以使用低带宽饥饿传感器和开关设备模型执行零电压开关。

　　请注意，不会测量或感测高频开关电压波形。相反，缓慢变化的变量被馈送到 MCU 模数转换外设。

　　数字 GaN 开辟了从功率级到云端的新途径，通过大幅减少交换的数据量来帮助应对气候变化。作为电源装置和电源转换器的核心，数字 GaN 可以聚合来自电源电路的性能数据以计算健康和使用数据。通过处理机载数据可以生成超低带宽数据流：它每天只需要几千字节就可以为监控使用大量电源装置的大型装置提供最佳信息。

　　通过在数据世界和电力世界之间提供智能链接，数字 GaN 可实现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，例如互联网盒子、电视和计算机主板。还有机会为电动汽车提供电力和数据。

　　对于满足消费电子、电动汽车、数据中心和工业应用等各种数据密集型需求的电源系统，提供传输数据所需的大量电力的压力将越来越大。我们的 GaN IC 有助于满足这一需求，它在单个 GaN 芯片中结合了多种电力电子功能。回报：更高的速度、更高的效率、更高的可靠性和成本效益，以及开辟从功率级到云的新路径的数字控制，同时通过大幅减少交换的数据量来保护环境。

　　编辑：黄飞