自第一个GaN-on-Si功率晶体管开始批量生产以来，已经过去了12年多
Alex Lidow，EPC首席执行官兼联合创始人
 
在激光雷达和空间电子等许多应用中，氮化镓（GaN）的应用非常迅速。激光雷达的蓬勃发展得益于GaN器件的极高速度，其速度比老化的硅MOSFET快10倍以上。
由于GaN-on-Si功率晶体管具有极高的辐射硬度、高性能以及与rad-hard（抗辐射） MOSFET相比的小尺寸，空间电子已经迅速接受了GaN-on-Si功率晶体管。
但其他市场呢，比如消费品、计算机、电机驱动器和汽车。在这些领域中，GaN器件都大量出现，尽管许多设计师仍在观望。仅在过去一年里，就有1000多个客户，我们只看到10%的首次客户在一年内转变为重复客户。
在这篇文章中，我们将讨论一些客户在采用这项技术时速度较慢的最常见原因，这项技术显然是针对他们较旧的硅基功率MOSFET的替代技术。
在不深入详细统计数据的情况下，按频率顺序推导出了一系列原因。该列表基于这样一种理解，即某些应用将比其他应用更重视GaN的某些特性。我们的讨论仅限于额定电压低于400 V的器件，因为这是EPC（Efficient Power Conversion）FET和IC产品的应用重点。

误解1：GaN器件比硅器件贵
这是最常见的误解。大约在2015年，第一个GaN-on-Si晶体管开始出现，与具有相同导通电阻和额定电压的功率MOSFET相比，其价格实际上更低。从那时起，GaN晶体管的价格持续下降，与此同时，技术得到了改进，实现了芯片缩小。
图1是EPC的100 V eGaN®FET的价格比较。此图表显示了GaN器件及其MOSFET对应器件的各种导通电阻规格。虽然采用了2022年2月的中批量定价，但可以推断，同样的关系也应该适用于更高的批量。
 

图1：eGaN FET和MOSFET的价格比较。2022年2月1000件价格
在较高电压下，eGaN FET和MOSFET之间的相对性能差异和尺寸差异甚至比在较低电压下更大，GaN器件的价格甚至更低。
也许更有趣的是，可比的定价忽略了一个事实，即在等效电压和导通电阻下，eGaN FET比可比的MOSFET更小、更快。用户以可比价格获得更高的性能。

误解2：GaN器件更难使用
这一误导性陈述分为两个子类：
1.  首先，该说法涉及芯片级封装及其端子之间的小间距。
2.  其次，该说法提到了GaN器件对PCB布局中小型寄生电感的灵敏度。
当用户之前的体验仅限于传统的功率MOSFET封装（如PQFN）时，芯片级封装（如图2所示）可能很难使用。
 

图2：EPC2204是晶圆级芯片级格式（WLCS）的100 V、6 mΩ（最大）增强型GaN-on-Si晶体管

WLCS格式化的器件会因为要求更紧密的几何结构而导致成品PCB板成本更高。此外，有源GaN晶体管所在的WLCS器件的暴露硅衬底在制造过程中更容易发生芯片剥落。
然而，也有一些抵消优势转化为更高的性能和更低的成本最终产品。这些优点包括更小的尺寸、更低的寄生电阻和电感、更少的可靠性问题，以及在使用顶部冷却时更有效的散热。
这些原因导致电力系统设计师希望成为性能方面的领导者，从而掌握使用高性能GaN WLCS产品的大批量制造。许多电子系统制造商（ESM）在这些组装过程中也经过了审核和认证。事实上，在一些高性能或大容量应用中，硅IC采用了WLCS封装。
最近，EPC推出了一系列封装器件，用于那些由于芯片级封装的制造担忧而不太倾向于采用GaN的设计。图3左侧是EPC2302 eGaN FET。它位于一个3 x 5 mm的PQFN封装中，端子之间的最小间距为0.6 mm。该器件的背面暴露在外，以便有效地吸热。
图3右侧是一个配套集成电路EPC23101，它具有所有必要的集成电路，当与EPC2302组合时，可以构成一个完整的功率级电路。
使用PQFN封装的另一个优点是，将在一个通用封装中提供多个设备额定值（电压、R_DS(ON)），从而在客户终端产品设计中提供更大的灵活性。
 

图3：（左）EPC2302是一个100V、1.8MΩ（最大值）增强型GaN-on-Si晶体管，采用3 x 5mm PQFN封装。（右）EPC23101是一款100 V、3.3 mΩ（最大值）的高端FET，包括3.5 x 5 mm PQFN中的电平移位、自举和低端驱动电路

GaN器件的速度非常快。它们的速度意味着电压和电流的快速变化，即使加上少量的电感，也会导致不必要的超调和振荡。这些情况会导致过电压和电磁干扰。
已经有书籍和论文提供了布局技术，可以在不增加设计成本的情况下减少增加在PCB中的寄生电感。甚至更好的是，EPC2152单片功率级等产品集成了各种组件，这些组件可以负责寄生功率回路、公共源或门回路电感。当然，将有越来越多的此类器件可用，它们可以在不影响性能或成本的情况下减轻设计活动的负担。

误解3：GaN器件的兼容驱动器和控制器数量有限
这种误解每天都在减少。表1列出了与GaN兼容的半桥驱动器IC列表。这些IC专门设计用于GaN晶体管和单片半桥产品。请注意，如果设计者使用单片功率级IC，如EPC2152或EPC23101/EPC2302芯片组，则不需要驱动。


表1：截至2022年2月1日的GaN兼容半桥驱动器

表2列出了为buck和buck-boost电路设计的控制器IC，其中考虑了GaN器件的快速开关能力。还有其他控制器可用于电机驱动器和同步整流应用。随着新的控制器IC引入市场，该表不断更新。
 

表2：截至2022年2月1日的GaN兼容降压和降压升压控制器
 
由于没有MOSFET那样悠久的历史，这一系列的GaN控制器并不像老化的MOSFET晶体管那样广泛，但更高的性能和更小的尺寸，以及多种可供选择的产品，将使新设计的规模越来越倾向于GaN产品。
在未来，利用单片GaN IC功率级的性能和硅中丰富的功能，将模拟或数字控制器与驱动器分离将是最终的双赢。

误解4：GaN器件非常小，很难从器件中提取热量
图4显示了GaN器件和硅MOSFET之间的热阻与器件面积的比较。硅和GaN器件在通过PCB传导热量的能力上几乎没有区别。然而，如图4右侧所示，从器件上部提取热量的能力存在显著差异。
这种差异是如此显著，以至于在设计中可以部署上部组块冷却的情况下，GaN器件的热效率将提高5到10倍，远远超过对5到10倍更小的占地面积的补偿。
 

图4：GaN和硅器件之间的结-板（左）和结-壳（右）热阻比较

误解5：GaN器件几乎没有或根本没有经过验证的可靠性
GaN器件现在在现场应用中有数千亿个器件小时，其结果优于MOSFET的任何报道。氮化镓晶体管安装在汽车和环绕地球的轨道上。最近的可靠性研究深入探讨了磨损GaN器件的基本物理机制。
这些研究表明，GaN中更强的化学键带来的好处是宽带隙及其优越的可靠性。例如，GaN器件对更高的温度不太敏感，并且在高温下实际显示出更好的寿命。
没有一个应用示例可以证明使用老化的MOFET比使用GaN器件的效果更好。

总结
功率系统的设计者必须应对许多约束，包括性能、尺寸、成本和可靠性。最近，供应链短缺延长了过去52周的硅组件交付周期，这给设计师增加了另一个挑战。用GaN器件设计有助于减少这些元件的短缺。
GaN器件是一款优秀的新产品，具有优越的性能、易于使用、非常小、高度可靠和非常便宜。也许最重要的是……由于与这一新一代功率器件相匹配的更高效的供应链，它们也能以较短的交付周期广泛提供。
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