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GaN IC:推动分立式晶体管走向尽头

时间:2020-04-09 作者:Yorbe Zhang 阅读:
采用分立式氮化镓器件或分立式MOSFET器件的设计工程师,现在可以改用GaN集成电路以节省时间、占板面积及提升他们的系统性能,从而实现具备更高的功率密度、更高的效率及更具成本效益的先进设计。当氮化镓集成电路开始集成多个驱动器、保护电路、控制电路及功率晶体管于单个芯片上时,设计师会逐渐减少分立式晶体管的使用。这是分立式晶体管走向尽头的开始。
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宜普电源转换公司(EPC)日前发布的ePower Stage系列IC,在单一硅基GaN芯片上整合了相关所有功能,提升了48V功率转换器的效率、缩小尺寸及降低系统成本,为产业重新定义功率转换。

该48V转换器可用于超纤薄并且具有高功率(可高达250 W)的笔记本电脑设计、具有高功率密度的服务器和人工智能系统,以及汽车系统等应用。

据EPC介绍,ePower Stage系列IC适合广泛的功率应用场景,包括能以GaN单芯片支持电动滑板车的马达供电,应用于三相正弦激励马达驱动器时每相具有10ARMS,实现高效、宁静、高性能及低成本的电动车解决方案。

为了更多了解这款新产品的特性,以及EPC对于未来氮化镓技术应用的看法,《电子工程专辑》采访了EPC的CEO兼共同创办人Alex Lidow博士。

电子工程专辑:EPC刚刚推出了ePower Stage“IC”,这是对传统GaN分立功率器件的突破。为什么称它为集成电路(integrated circuit, IC)而不是功率模块?

Alex Lidow:模块代表多芯片,而EPC的ePower Stage集成电路是单个芯片功率级器件,包含功率场效应晶体管、驱动器、电平转换电路(LS)、保护电路及输入逻辑,但硅(Si)器件不可能在这种电压级别上用单一芯片实现。因此,称其为集成电路(IC)就是强调氮化镓器件具备各种的优势,而这些是硅器件力不可及的。

电子工程专辑:这种集成的硅上氮化镓(GaN-on-Silicon)IC对功率转换行业意味着什么?

Alex Lidow:采用分立式氮化镓器件或分立式MOSFET器件的设计工程师,现在可以改用ePower Stage集成电路以节省时间、占板面积及提升他们的系统性能,从而实现具备更高的功率密度、更高的效率及更具成本效益的先进设计。当氮化镓集成电路开始集成多个驱动器、保护电路、控制电路及功率晶体管于单个芯片上时,设计师会逐渐减少分立式晶体管的使用。这是分立式晶体管走向尽头的开始。

电子工程专辑:采用这类IC会为相关应用带来哪些收益? 请举出最为相关的前三名应用。

Alex Lidow:首先,是DC/DC应用,ePower Stage集成电路的优势在于:

1、 节省占板面积。在DC/DC应用,与分立式氮化镓器件相比,ePower Stage集成电路可以节省大约35%的占板面积。

2、实现更高的效率。与分立式氮化镓器件相比,ePower Stage集成电路的效率高出30%。如果与MOSFET器件相比,当ePower Stage集成电路工作在1MHz频率、由48V降压至12V时,它的效率高出60%。


3、易于设计。与分立式器件相比,在降压转换器中,ePower Stage集成电路使得工程师更易于设计,因为其只需用6个外围器件,而采用分立式器件则要用13个外围器件。

第二、机器人电机驱动器,ePower Stage集成电路的优势在于:

1、 节省占板面积。与分立式MOSFET器件相比,ePower Stage集成电路可以节省大约50%占板面积。

2、 在100kHz或以上的频率下工作,可以实现更高的效率(驱动器操作顺畅、运动精准及更轻盈是非常重要的)。

3、 更轻盈(更少的散热器、更小型化的PCB、更小尺寸的电容及更少的EMI滤波器)。

4、更少的外围器件,更容易设计。

第三、电动交通工具(eMobility),诸如小型摩托车、电动自行车及无人机,上使用的电机驱动器。ePower Stage集成电路的优势在于:

1、节省占板面积。与分立式MOSFET器件相比,ePower Stage集成电路可以节省大约50%占板面积。

2、在100 kHz或以上的频率下工作,可以实现更高的效率(非常重要的是更轻盈)。

3、更轻盈(更少的散热器、更小型化的PCB、更小尺寸的电容及更少的EMI滤波器)。

4、更少的外围器件,更容易设计。

5、大幅减少外围器件,设计成本更低。

电子工程专辑:看起来使用ePower Stage IC的客户确实可以大幅度降低成本。您可以与工程师进一步分享采用这款IC的成本分析吗?

Alex Lidow:ePower Stage集成电路确实会节省多少成本,具体要视不同应用而定。可以肯定的是,采用ePower Stage集成电路的应用都必定可以节省占板面积、重量更轻、外围器件数量更少及缩短设计时间。

电子工程专辑:目前,你们在氮化镓IC上的竞争对手是谁?

Alex Lidow:在基于氮化镓集成电路的48V DC/DC转换器或马达控制市场,我们是没有竞争对手的。而对于日益落伍的功率MOSFET器件,则遇上竞争对手。

电子工程专辑:EPC对于氮化镓IC的未来发展路线是什么?

Alex Lidow:EPC 公司的分立式器件及集成电路均采用氮化镓技术。我们不断推陈出新,将推出更多的氮化镓集成电路,集成驱动功能、保护电路、逻辑及功率器件于一体,其拓扑种类可以是降压、LLC、三相电路及多级功率转换器结构。当这种集成电路普遍被采用时,工程师会逐渐更少采用分立式晶体管。

我们的目标是在未来的三年内,逐步推出全新的集成电路,而同时继续为客户提供目前分立式GaN器件的技术支持。

电子工程专辑:我们已经看到更多基于氮化镓的应用,例如智能手机的充电器,这表明氮化镓也正在进入更多的消费电子产品。 从您的角度来看,就技术和成本而言,近期/中期的GaN器件以及GaN IC将会取得什么进展?

Alex Lidow:EPC最新推出了第五代(Gen 5)分立式氮化镓器件。在相同的额定电压、价格相近时,氮化镓器件的性能更高。这是因为我们的GaN器件的成本已经跟MOSFET器件相近,或氮化镓器件的成本甚至更低。

这个最新一代的产品性能比MOSFET的理论极限高出300倍。也就是说,我们将看到氮化镓器件的性能及成本可以在未来的几年间持续提高,并继续扩大其超越硅基功率MOSFET绩效的差距。

责编:Luffy Liu

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Yorbe Zhang
ASPENCORE亚太区总裁。
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