麥姆斯咨詢整理了宜普電源轉換公司（EPC）首席執(zhí)行官Alex Lidow公開發(fā)表的關于GaN功率器件原理、應用及優(yōu)勢的理解，為讀者奉獻一系列文章。在本系列文章中，將討論一些新興應用如何利用GaN功率器件的優(yōu)勢實現(xiàn)終端產(chǎn)品差異化。

滿足“電老虎”移動計算的需求

消費者都希望所用的移動設備能完成一系列耗電量不斷增長的任務。對耗電量的要求以及對小巧輕便的外形需求，與延長電池壽命的需求相互矛盾，因此對配電系統(tǒng)提出的要求越來越高。換句話說，需要將高性能負載點（POL）直流對直流（DC-DC）轉換器設計得體積小且效率高。

圖1：移動產(chǎn)品對POL的要求，為高性能、超小尺寸和低成本的GaN器件提供了理想的平臺

減小尺寸并降低核心功率器件的功耗，對滿足上述需求至關重要。提高功率晶體管的開關頻率是減小尺寸的已知途徑。如今，氮化鎵（GaN）功率器件提供了實現(xiàn)更高轉換器頻率的新路徑，并將推動下一代移動計算的發(fā)展。

提高集成度，速度提高的同時轉換效率不打折

提高頻率是減小尺寸的一種行之有效的方法。對于移動系統(tǒng)而言，實現(xiàn)高效解決方案同樣重要，這是延長電池壽命的關鍵因素。通過單芯片集成，如增強型氮化鎵功率場效應晶體管（eGaN FET）和集成電路（IC）集成，也能夠顯著提高轉換器效率。

要實現(xiàn)高頻和高效率，需要解決寄生電感。寄生電感已被證明會降低開關速度，從而增加系統(tǒng)功耗。通過將兩個eGaN FET集成到單個器件中，印刷電路板（PCB）的互連電感和所需的間距可以大大減少甚至為零。

圖2：30V單片式半橋GaN功率器件EPC2111，導通電阻為19m ohm（Q1）和8m ohm（Q2）

集成度提高帶來的第二點有點是能夠優(yōu)化管芯尺寸，并控制場效應晶體管（FET）和同步整流器的外形。集成化能減小控制FET（Q1）的尺寸，從而減小開關相關損耗，而尺寸較大的同步整流器（Q2）則可以減小傳導損耗。這樣就能設計出“又長又細”的控制FET（見圖2），以減小功率環(huán)路電感。圖2中的EPC2111是單片式eGaN半橋IC，為用于高降壓POL轉換器而設計，其中，控制FET（Q1）大約是同步整流器（Q2）尺寸的四分之一。每個FET都能夠在5.25mm2的面積中傳輸16A的連續(xù)電流。EPC2111的面積只有硅基金屬-氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）的七分之一，但開關速度更快，寄生電容也更小。因此，即使在非常高的開關頻率（10 MHz）下，開關損耗也能保持最低，這就是GaN器件非常適合POL應用的原因。

DrGaNPLUS功率模塊EPC9204：功率密度達1000W/in3

尺寸最小、最具成本效益和效率最高的非隔離12V-1.0V POL轉換器，適用于高性能計算、加密數(shù)字貨幣和電信應用。單片式eGaN IC半橋如EPC2111，可以幫助實現(xiàn)。

DrGaNPLUS功率模塊EPC9204選用EPC2111作為應用演示（如圖3所示）。它是一種同步Buck轉換器，產(chǎn)生的功率密度為1000W/in3，每相輸出電流為12A。

圖3：EPC9204開發(fā)板最大高度為1.2mm，在12V輸入電壓，1V輸出電壓和12A負載工作時功率密度為1000W/in3

功率模塊EPC9204（如圖4所示）使用單片式eGaN半橋EPC2111配置為同步Buck拓撲。功率模塊EPC9204（如圖3所示）還配置村田（Murata）下屬公司pSemi提供的半橋柵極驅動器PE29102、輸入和輸出濾波器以及電流和溫度傳感功能。EPC9204板上高度最高的組件只有1.2mm。eGaN FET的高頻能力大大降低了對濾波的要求，從而實現(xiàn)了尺寸更小、損耗更低、經(jīng)優(yōu)化后的輸出濾波電感。

圖4：配置有EPC2111的開發(fā)板EPC9204的電路框圖，非常適合12V-1V POL轉換

EPC9204在負載5A、頻率5MHz時，峰值效率達到78%，在氣流速度為400 LFM時FET的最高溫度為100℃。圖5顯示了器件分別工作在3MHz、5MHz和10MHz時，負載高達12A時的效率曲線圖。

圖5：EPC9204配置單片式eGaN半橋EPC2111，輸入電壓為12V、輸出電壓為1V時，效率與輸出電流的關系圖

高頻12V-1V POL轉換器設計從硅基MOSFET轉移到eGaN IC是未來的必然趨勢，這是因為后者的效率更高、尺寸更小且成本更低。表1列出了基于eGaN設計的轉換器的材料清單（BOM），每瓦成本低于0.20美元。

表1：基于50萬顆單片式eGaN 12V-1V轉換器價格估算的材料清單

基于eGaN IC的12A負載的12V-1V轉換器在5MHz時產(chǎn)生的峰值效率為78%，功率密度至少為1000W/in3，成本均低于0.20美元/瓦。

總結

消費者對能執(zhí)行越來越多耗電任務又保持小巧輕便的移動設備的追求不會停止。要跟上消費者的要求，減小尺寸、核心功率電子器件的功耗降低顯得至關重要。

移動設備中電源系統(tǒng)的功率轉換電路占據(jù)了近一半的空間，并決定了電路板的最大高度。減小尺寸的最直接方法是提高開關頻率，從而減小輸出電容和電感的尺寸。基于硅基的POL系統(tǒng)通常在1 MHz甚至更低頻率下運行。GaN功率器件能夠在如10 MHz的高頻率下高效運行，將極大地減少下一代移動計算的電路板面積和高度。