GaN IC設(shè)計(jì)系統(tǒng)級(jí)優(yōu)勢(shì)分析

　　在單個(gè) GaN 芯片中結(jié)合多種電力電子功能的功率 IC 將在全球電氣化中發(fā)揮重要作用。

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

　　電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是大多數(shù)電子設(shè)備的核心，從家用電器和筆記本電腦到數(shù)據(jù)中心和電動(dòng)汽車。在其中一些應(yīng)用中，GaN 技術(shù)很快將成為必不可少的技術(shù)，因?yàn)楣枳鳛楣β兽D(zhuǎn)換平臺(tái)已達(dá)到其物理極限。

　　除了提高功率轉(zhuǎn)換級(jí)的效率外，GaN 還具有其他優(yōu)點(diǎn)。它們?cè)从谄涑錾奈锢硖匦?，例如?.2 eV 的帶隙，幾乎是硅的三倍；擊穿場強(qiáng)為 3.3 MV/cm，約為硅的十倍。這些優(yōu)勢(shì)有助于實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通電阻和關(guān)鍵品質(zhì)因數(shù)（導(dǎo)通電阻與芯片表面積的乘積）的出色值。GaN 器件可以提供高電流、高擊穿電壓和高開關(guān)頻率，并在工作電壓高達(dá) 650 V 的電源應(yīng)用中與電流 MOSFET 和超級(jí)結(jié) MOSFET 競爭。

　　傳統(tǒng)上，電源設(shè)計(jì)人員使用分立晶體管和許多外部元件（如驅(qū)動(dòng)器、電平轉(zhuǎn)換器、傳感器、自舉電路和外圍設(shè)備）構(gòu)建半橋電路，用于電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。通過將分立的 GaN 器件（而不是那些由硅制成的器件）與其他組件相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)改進(jìn)。然而，有比這更好的方法——我們?cè)诜▏?Wise Integration 正在追求的方法。我們的團(tuán)隊(duì)成立于 2020 年，是 GaN 功率 IC 的先驅(qū)，它將多種功率電子功能結(jié)合在單個(gè) GaN 芯片中。通過集成，我們正在提高速度、效率、可靠性和成本效益。

　　更靈活的適配器

　　在過去十年中，主要 OEM 廠商投入了大量精力來制造功能最強(qiáng)大的智能手機(jī)、最薄的筆記本電腦和最大的電視。這一趨勢(shì)的共同因素是對(duì)電力的需求不斷增長，以實(shí)現(xiàn)每秒共享大量數(shù)據(jù)。

　　不幸的是，原始設(shè)備制造商并沒有過多關(guān)注放置在其產(chǎn)品旁邊的適配器。這導(dǎo)致依賴于硅晶體管的笨重、笨重、低效的電源。但這種情況正在開始改變。

　　早在 2019 年，GaN 技術(shù)就滲透到了消費(fèi)市場，最初是在 30-100 W 適配器中。從那時(shí)起，這種寬帶隙技術(shù)得到了廣泛傳播，并發(fā)展成為下一代電源轉(zhuǎn)換選項(xiàng)。如今，大多數(shù)移動(dòng)設(shè)備制造商都承認(rèn)適配器是等式的一部分，移動(dòng)性要求它們緊湊輕便，以符合他們的主要產(chǎn)品策略。電源現(xiàn)在正成為產(chǎn)品不可或缺的一部分。

　　功率密度是 GaN 的主要“驅(qū)動(dòng)力”，而效率對(duì)于滿足 100 W 至 3 kW 的 AC-DC/DC-DC 電源的新需求變得越來越重要，尤其是對(duì)于數(shù)據(jù)中心行業(yè)。對(duì)于這個(gè)特定市場，在相同的外形尺寸下需要更高的功率才能達(dá)到高水平的效率。

　　GaN 在 2022 年表現(xiàn)出色。隨著越來越受歡迎，它變得具有成本競爭力，不斷擴(kuò)大的需求促使多家全球代工廠增加 GaN 生產(chǎn)線。在系統(tǒng)層面，AC-DC 模擬控制器很快就會(huì)“兼容 GaN”。然而，它們的 GaN 功能不會(huì)得到充分利用，因?yàn)樗鼈內(nèi)栽诘皖l下切換。

　　現(xiàn)在是 GaN 行業(yè)開始克服這一限制并提供下一個(gè)巨大能量和功率提升的時(shí)候了。這可能來自分立式 GaN 器件向 GaN IC 的轉(zhuǎn)變，后者在系統(tǒng)級(jí)提高了效率，并導(dǎo)致材料成本比傳統(tǒng)的硅基電源更具競爭力。

　　圖 2. 由同一封裝中的低側(cè)和高側(cè)功率開關(guān)組成的集成半橋晶體管。

　　GaN IC 設(shè)計(jì)

　　為了實(shí)現(xiàn)這一愿景，我們一直在使用不同的形狀因數(shù)和金屬化策略制作不同的 HEMT 原型。我們的工作涉及使用多項(xiàng)目晶圓為 100 W 至 1 kV 應(yīng)用建模和設(shè)計(jì) GaN 晶體管。這些調(diào)查借鑒了法國微電子研究所 CEA-Leti 的專業(yè)知識(shí)。通過這次合作，我們?yōu)榇笠?guī)模生產(chǎn)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

　　在我們構(gòu)建的所有多項(xiàng)目晶圓和原型中，我們開展了專注于功率晶體管布局拓?fù)涞难邪l(fā)項(xiàng)目。從矩陣金屬化到梳狀金屬化，我們發(fā)現(xiàn)了影響性能參數(shù)的金屬路徑的寄生貢獻(xiàn)，導(dǎo)致寄生電容、導(dǎo)通電阻和柵極內(nèi)阻的不同值。我們發(fā)現(xiàn)布局圖中的焊盤定位會(huì)影響由鍵合線引起的寄生導(dǎo)通電阻，以及由金屬方塊計(jì)算的電流和金屬電阻的分布。改變功率 IC 平面圖中鍵合線的位置會(huì)以兩種方式影響最終導(dǎo)通電阻：由于金屬化層內(nèi)部電流分布的變化，布局后仿真和性能參數(shù)發(fā)生變化；并聯(lián)添加鍵合線會(huì)影響最終電阻。在過去的兩年里，我們已經(jīng)建造了數(shù)百個(gè)原型，并從中挑選出最好的。我們還對(duì)以下項(xiàng)目進(jìn)行了靜電放電 （ESD） 測試：不同電路策略的原型、帶二極管的電路、數(shù)字輸入/輸出鉗位和電源鉗位電路。

　　當(dāng)我們的社區(qū)聚集在國際會(huì)議上，除了討論功率晶體管外，還有與用于 GaN 功率集成的模擬電路相關(guān)的對(duì)話。要獲得高性能電路，顯然需要克服制造角色散和電荷捕獲效應(yīng)。另一個(gè)障礙是缺少用于上拉電路的 p 型晶體管。然而，設(shè)計(jì)人員可以通過調(diào)整電路拓?fù)鋪砜朔@些挑戰(zhàn)。許多已經(jīng)展示了模擬電路塊，例如電壓基準(zhǔn)、欠壓鎖定、ESD 電路、比較器和運(yùn)算放大器，具有高達(dá) 10 MHz 的高開關(guān)頻率。這些模塊還兼容高達(dá) 650 V 的電壓和高達(dá) 1 kW 的功率。

　　圖 3. 典型的基于 GaN 的模擬控制電源。

　　系統(tǒng)級(jí)優(yōu)勢(shì)

　　限制采用硅 MOSFET 的系統(tǒng)性能的一個(gè)根深蒂固的因素是該晶體管的品質(zhì)因數(shù)——它是其導(dǎo)通電阻及其內(nèi)部柵源和柵到組合的產(chǎn)物-漏極電容。從硅轉(zhuǎn)向 GaN 讓設(shè)計(jì)人員享受到更好的品質(zhì)因數(shù)。工作頻率不再有限制，可以達(dá)到硅的十倍。

　　然而，它并不像乍看起來那么簡單，因?yàn)樘岣呦到y(tǒng)頻率還有另一個(gè)障礙。如果轉(zhuǎn)換器中的 GaN 晶體管未在軟開關(guān)條件下運(yùn)行——即晶體管每次導(dǎo)通時(shí)的電壓接近于零或以其他方式受限的情況——由于晶體管的電容而存儲(chǔ)的能量，如以及系統(tǒng)電容，必須耗散在 GaN 中，導(dǎo)致晶體管迅速過熱。雖然這對(duì)于以 100 kHz 或更低頻率運(yùn)行的系統(tǒng)來說可能是可以接受的，但對(duì)于 500 kHz 至 2 MHz 的頻率（我們系統(tǒng)的典型運(yùn)行頻率）而言則不然。

　　我們的解決方案是通過特定的控制和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在軟開關(guān)條件下持續(xù)運(yùn)行。為確保每個(gè)人都能做到這一點(diǎn)，我們推出了 WiseWare 控制器（見圖 4）。

　　圖 4.WiseWare 1 數(shù)字控制。

　　驅(qū)動(dòng)力

　　GaN IC 注定是邁向高功率密度和系統(tǒng)集成的下一步，這是半導(dǎo)體取得歷史性成功的兩個(gè)關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力。但電力電子，尤其是功率晶體管，在集成方面滯后，受制于形成垂直架構(gòu)的復(fù)雜工藝。

　　毫無疑問，我們的 GaN 橫向工藝提供的集成將在系統(tǒng)級(jí)帶來好處。實(shí)現(xiàn)集成是向前邁出的關(guān)鍵一步，因?yàn)樗偸悄軌驕p少系統(tǒng)尺寸并增加復(fù)雜性，從而提高可靠性和性能。

　　我們的 GaN IC 將給市場帶來好處，因?yàn)樗鼈兡軌颍涸黾訌?fù)雜性，這可以優(yōu)化系統(tǒng)性能，包括更好地塑造功率信號(hào)；由于電路板上的組件更少，以及包括異常情況的早期檢測在內(nèi)的附加系統(tǒng)保護(hù)，提高了可靠性；以及更快的開關(guān)設(shè)備帶來更好的性能，這要?dú)w功于驅(qū)動(dòng)程序集成。后者通過減少寄生元件并確保更好的開關(guān)行為來實(shí)現(xiàn)更高的工作頻率。此外，還有機(jī)會(huì)引入“in-power sensing”，

　　當(dāng)然，這種演變需要幾個(gè)步驟。然而，這些努力是值得的，因?yàn)樗鼈優(yōu)?GaN 市場的未來提供了主要驅(qū)動(dòng)力。雖然進(jìn)步可能會(huì)持續(xù)數(shù)十年，但其結(jié)果將是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一場革命，從而以低成本提供無與倫比的性能。

　　圖 5：WiseWare 2 數(shù)字控制。

　　數(shù)字控制

　　數(shù)字 GaN 是使用 GaN IC 實(shí)現(xiàn)卓越性能的一個(gè)很有前途的選擇。這是一種顛覆性的數(shù)字控制方法。模擬信號(hào)塊不再“轉(zhuǎn)換”為數(shù)字信號(hào)塊，而 GaN IC 和數(shù)字 GaN 控制器的功能以這樣一種方式進(jìn)行劃分，即每一部分都可以提高另一部分的性能。電流感測通常實(shí)現(xiàn)起來很復(fù)雜，但數(shù)字 GaN 解決方案使對(duì)電流的分析估計(jì)成為可能，從而創(chuàng)建了一個(gè)虛擬電流傳感器。這種傳感器僅需幾行代碼，可防止損失，節(jié)省 PCB 面積，減少物料清單并消除模擬傳感器問題（見圖 5）。

　　數(shù)字 GaN 的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是它將高分辨率脈寬調(diào)制提升到模擬控制器無法達(dá)到的水平。通過開辟精確的亞納秒定時(shí)分辨率的機(jī)會(huì)，結(jié)合高性能微控制器單元 （MCU），引入了零電壓開關(guān)的新解決方案——這是一種在不增加開關(guān)損耗的情況下達(dá)到極高開關(guān)頻率的技術(shù)，多虧了所謂的“軟切換”。通過計(jì)算精確的開關(guān)時(shí)間，數(shù)字 GaN 控制器可以使用低帶寬饑餓傳感器和開關(guān)設(shè)備模型執(zhí)行零電壓開關(guān)。

　　請(qǐng)注意，不會(huì)測量或感測高頻開關(guān)電壓波形。相反，緩慢變化的變量被饋送到 MCU 模數(shù)轉(zhuǎn)換外設(shè)。

　　數(shù)字 GaN 開辟了從功率級(jí)到云端的新途徑，通過大幅減少交換的數(shù)據(jù)量來幫助應(yīng)對(duì)氣候變化。作為電源裝置和電源轉(zhuǎn)換器的核心，數(shù)字 GaN 可以聚合來自電源電路的性能數(shù)據(jù)以計(jì)算健康和使用數(shù)據(jù)。通過處理機(jī)載數(shù)據(jù)可以生成超低帶寬數(shù)據(jù)流：它每天只需要幾千字節(jié)就可以為監(jiān)控使用大量電源裝置的大型裝置提供最佳信息。

　　通過在數(shù)據(jù)世界和電力世界之間提供智能鏈接，數(shù)字 GaN 可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程固件更新以及通過互聯(lián)網(wǎng)激活功能。這種可能性在許多計(jì)算設(shè)備中很常見，例如互聯(lián)網(wǎng)盒子、電視和計(jì)算機(jī)主板。還有機(jī)會(huì)為電動(dòng)汽車提供電力和數(shù)據(jù)。

　　對(duì)于滿足消費(fèi)電子、電動(dòng)汽車、數(shù)據(jù)中心和工業(yè)應(yīng)用等各種數(shù)據(jù)密集型需求的電源系統(tǒng)，提供傳輸數(shù)據(jù)所需的大量電力的壓力將越來越大。我們的 GaN IC 有助于滿足這一需求，它在單個(gè) GaN 芯片中結(jié)合了多種電力電子功能。回報(bào)：更高的速度、更高的效率、更高的可靠性和成本效益，以及開辟從功率級(jí)到云的新路徑的數(shù)字控制，同時(shí)通過大幅減少交換的數(shù)據(jù)量來保護(hù)環(huán)境。

　　編輯：黃飛