宜普电源（EPC）谈GaN功率器件技术及应用（五）：移动计算
2019-11-09 16:35:19   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

【编者按】麦姆斯咨询整理了宜普电源转换公司（EPC）首席执行官Alex Lidow公开发表的关于GaN功率器件原理、应用及优势的理解，为读者奉献一系列文章。在本系列文章中，将讨论一些新兴应用如何利用GaN功率器件的优势实现终端产品差异化。

满足“电老虎”移动计算的需求

消费者都希望所用的移动设备能完成一系列耗电量不断增长的任务。对耗电量的要求以及对小巧轻便的外形需求，与延长电池寿命的需求相互矛盾，因此对配电系统提出的要求越来越高。换句话说，需要将高性能负载点（POL）直流对直流（DC-DC）转换器设计得体积小且效率高。

图1：移动产品对POL的要求，为高性能、超小尺寸和低成本的GaN器件提供了理想的平台

减小尺寸并降低核心功率器件的功耗，对满足上述需求至关重要。提高功率晶体管的开关频率是减小尺寸的已知途径。如今，氮化镓（GaN）功率器件提供了实现更高转换器频率的新路径，并将推动下一代移动计算的发展。

提高集成度，速度提高的同时转换效率不打折

提高频率是减小尺寸的一种行之有效的方法。对于移动系统而言，实现高效解决方案同样重要，这是延长电池寿命的关键因素。通过单芯片集成，如增强型氮化镓功率场效应晶体管（eGaN FET）和集成电路（IC）集成，也能够显著提高转换器效率。

要实现高频和高效率，需要解决寄生电感。寄生电感已被证明会降低开关速度，从而增加系统功耗。通过将两个eGaN FET集成到单个器件中，印刷电路板（PCB）的互连电感和所需的间距可以大大减少甚至为零。

图2：30V单片式半桥GaN功率器件EPC2111，导通电阻为19m ohm（Q1）和8m ohm（Q2）

集成度提高带来的第二点有点是能够优化管芯尺寸，并控制场效应晶体管（FET）和同步整流器的外形。集成化能减小控制FET（Q1）的尺寸，从而减小开关相关损耗，而尺寸较大的同步整流器（Q2）则可以减小传导损耗。这样就能设计出“又长又细”的控制FET（见图2），以减小功率环路电感。图2中的EPC2111是单片式eGaN半桥IC，为用于高降压POL转换器而设计，其中，控制FET（Q1）大约是同步整流器（Q2）尺寸的四分之一。每个FET都能够在5.25mm2的面积中传输16A的连续电流。EPC2111的面积只有硅基金属-氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的七分之一，但开关速度更快，寄生电容也更小。因此，即使在非常高的开关频率（10 MHz）下，开关损耗也能保持最低，这就是GaN器件非常适合POL应用的原因。

DrGaN^PLUS功率模块EPC9204：功率密度达1000W/in³

尺寸最小、最具成本效益和效率最高的非隔离12V-1.0V POL转换器，适用于高性能计算、加密数字货币和电信应用。单片式eGaN® IC半桥如EPC2111，可以帮助实现。

DrGaN^PLUS功率模块EPC9204选用EPC2111作为应用演示（如图3所示）。它是一种同步Buck转换器，产生的功率密度为1000W/in³，每相输出电流为12A。

图3：EPC9204开发板最大高度为1.2mm，在12V输入电压，1V输出电压和12A负载工作时功率密度为1000W/in³

功率模块EPC9204（如图4所示）使用单片式eGaN半桥EPC2111配置为同步Buck拓扑。功率模块EPC9204（如图3所示）还配置村田（Murata）下属公司pSemi提供的半桥栅极驱动器PE29102、输入和输出滤波器以及电流和温度传感功能。EPC9204板上高度最高的组件只有1.2mm。eGaN FET的高频能力大大降低了对滤波的要求，从而实现了尺寸更小、损耗更低、经优化后的输出滤波电感。

图4：配置有EPC2111的开发板EPC9204的电路框图，非常适合12V-1V POL转换

EPC9204在负载5A、频率5MHz时，峰值效率达到78%，在气流速度为400 LFM时FET的最高温度为100℃。图5显示了器件分别工作在3MHz、5MHz和10MHz时，负载高达12A时的效率曲线图。

图5：EPC9204配置单片式eGaN半桥EPC2111，输入电压为12V、输出电压为1V时，效率与输出电流的关系图

高频12V-1V POL转换器设计从硅基MOSFET转移到eGaN IC是未来的必然趋势，这是因为后者的效率更高、尺寸更小且成本更低。表1列出了基于eGaN设计的转换器的材料清单（BOM），每瓦成本低于0.20美元。

表1：基于50万颗单片式eGaN 12V-1V转换器价格估算的材料清单

基于eGaN IC的12A负载的12V-1V转换器在5MHz时产生的峰值效率为78%，功率密度至少为1000W/in³，成本均低于0.20美元/瓦。

总结

消费者对能执行越来越多耗电任务又保持小巧轻便的移动设备的追求不会停止。要跟上消费者的要求，减小尺寸、核心功率电子器件的功耗降低显得至关重要。

移动设备中电源系统的功率转换电路占据了近一半的空间，并决定了电路板的最大高度。减小尺寸的最直接方法是提高开关频率，从而减小输出电容和电感的尺寸。基于硅基的POL系统通常在1 MHz甚至更低频率下运行。GaN功率器件能够在如10 MHz的高频率下高效运行，将极大地减少下一代移动计算的电路板面积和高度。

延伸阅读：

《功率模块封装产业现状-2019版》

《功率GaN：外延、器件、应用及技术趋势-2018版》

《NVIDIA Tesla P100 GPU加速器：为现代数据中心释放强大的计算能力》