拆解氮化镓与硅器件的性能对比的谬误.docx
拆解氮化钱与硅器件的性能对比的谬误目录1 -序言12 .价格和成本13 .集成24 .效率和功率密度35 .未来新一代氮化银技术51 .序言判断一项新技术何时已过普及化的引爆点的方法之一，就是看支持维持现状的设计者的论点。这些保守的设计者倾向于引用旧的论据，但新技术的引爆点带来快速变化，使得他们的新设计在竞争中落后于竞争对手。氮化钱(GaN)功率器件的引爆点发生在过去两年,我们看到新的基于GaN芯片的设计速度开始同比翻倍，而传统MOSFET的精细但不灵活的供应链引致其供应面临严重短缺。另一方面，GaN器件在大多数主要分销商中仍有库存，这是因为其相对较新的和灵活的供应链以及使用旧有的硅晶圆厂，从而赋予这些晶圆厂一个新的和充满活力的未来。在这篇文章中，我们将拆解一些经常在文章和会议上提及的谬误，这些误解通常是由支持维持现状的倡导者提出的。2 .价格和成本近几年来，低电压GaN器件的价格已与SiMOSFET相约。图1是宜普电源转换(EPC)公司的IooVGaN晶体管与具有相约导通电阻的常用MOSFET的价格比较。该数据采集于2023年2月，依据分销商的中等量产的定价。GaN器件不是最便宜的，也不是最昂贵的。这样的比较忽略了一个事实-GaN晶体管比硅晶体管速度快10倍，体积小10倍，因此性价比高得多。S=dtuBWSIUO0ZdEoO1dUJOogduJ8-QEOOoo1dEoOZdEoO0oo9dE8EPC2052EPC2204EPC2218EPC2302图1具有相约导通电阻的IOOVGaN晶体管和硅MoSFET的市场价格比较GaN晶体管比硅晶体管小得多。这种尺寸差异让氮化钱器件实现更低的制造成本和更快的开关速度。一个很常见的问题是，GaN晶体管的小尺寸是否会使它更难排出热量。我们可从以下两方面解答：由于低传导和开关损耗，GaN器件往往产生较少的热量GaN器件被设计成具有非常高效的热性能关于第二点的论证，图2是常用的MoSFET与宜普电源转换(EPC)公司等效eGaN®FET的比较。请注意，所有eGaN器件即使是最右边的采用封装的器件一一从接点到散热器的热阻都要低得多,尽管它们的尺寸要小6到10倍。MOSFETBenchmark80V9.9x10.4mm23x6.05mm1VParameterIAUT2OONO8S5NO23(10V(B)2xEPC2218(5VJEPC2206(5VGJEPC2071(5Ve)EPQ302(5VJRDS(On)2.31.62.222C1.8QGtyP(40VK)36nC23.6nC15nC22nC18nCQGDtyP(40VM)28nC3.2nC3nC1.9nC3nCQrrtypIIOnCOnCOnCOnCOnCDevicesize103mm214mmj13.9mm2103mm2103mm2RTHjUnCtiontoheatsink-0.7oCW0.4/W0.4/W0.3oCW02oCW2.3x6.05mm2.3x4.45mm3x5mm图2对电阻相似的80-IOoVGaN和MoSFET器件进行比较。请注意，尽管eGaNFET的尺寸较小，但它们的热效率明显更高3 .集成硅基氮化钱技术的最大优点之一是能够将多个高压电源器件集成到一个芯片上，从而推动了单片功率级芯片的开发，如图3所示的器件具有与硅基较低电压多芯片“DrMOS”相同的功能，但具有更高的电流和电压能力，以及更好的热性能。为了说明单片集成的优势，图4是针对48V12V降压转换器，采用图3的单芯片（绿线代表）和采用分立式氮化铁器件（蓝线代表）的效率的比较。更高的效率是由于消除了共源、栅极环路和功率环路寄生电感，这些电感在PCB上组装多个分立元件时是不可避免的。图中黑色X代表最佳的MOSFET效率。 35%sma11er 59%fewercomponents 1essdesigntime:o1ogicInPowerOut Betterefficiency()&uo)oW山05050505050O123456789101112131415161718IOUT（A）图4比较了单片功率级芯片EPC2152和氮化钱分立器件在48v-12v降压转换器中的效率。该集成电路的体积小35%且效率显著提高。注意，基于MoSFET的降压转换器的最高效率明显差很多48V-12VBuckConverterTopo1ogy1=2.2H,AirF1ow=8001FM图3EPC2152是一个单片功率级芯片。左边是电路框图，右边是IOmm2的GaN芯片4 .效率和功率密度热和电气效率的结合可实现优越的系统功率密度。GaN功率器件一直是实现48V转换器功率密度基准的首选器件。图5显示过去7年内，48V-12V非调节型转换器的功率密度的演变。采用GaN的转换器的功率密度超过5000Win3,基于MOSFET转换器的功率密度约为350Win3。PowerDensityOverTime1atEGaNc一CiKa2023EK915920152016201720182019202320232023图5自2015年以来，48V-12VDC-DC转换器的基准功率密度增加了8倍具备优越性能的氮化钱器件也提高了无刷直流(B1DC)电机驱动器的功率密度。这是由于增强模式GaN晶体管没有反向恢复电荷QRR,可以显著减少死区时间，并显著提高电机驱动的最佳工作频率。图6是具有50OnS死区时间(由于MOSFET具有QRR)的20kHzB1DC驱动器与具有14ns死区时间的100kHz驱动器的比较。两种电机驱动器均以5ARMS和400RPM运行，基于氮化钱器件的电机驱动器只使用图3中3个集成电路,再加上一个简单的微控制器,因此元件数量非常少。令人惊讶的是，100kHz的驱动器具有相同的逆变器效率,但可以向电机轴传递多10%的转矩，因此电动自行车的行驶里程也可以增加10%o这是消除了六次谐波信号的结果，该信号源于MoSFET二极管恢复所需的长死区时间。这种谐波会导致显著的噪声以及对电机的反作用力。通过使用更高的频率，也可以降低电磁干扰(EMI),设计师还可以使用陶瓷电容代替电解电容。缩小尺寸使得将整个驱动器集成到电机外壳内变得更加容易，从而进一步降低成本和电磁干扰(EM1)oSetupInverter20kHz,500nsdeadtime400RPM,5ARMSGaNinverter100kHz,14nsdeadtime400RPM,5ArmsInput1nductance2.7HNoneInputcapacitor660Fe1ectro1ytic44FceramicPin121.3W113.3WPout119.6W111.3Winverter98.50%98.20%Speed42.25rad/s41.94rad/sTorque1.876Nm1.940NmPmech793W81.36Wmotor66.30%73.10%tota1efficiency65.30%71.80%图6使用3个EPC2152GaN功率级IC来创建一个运行在IoOkHZ的无刷直流电机驱动器，与传统的基于MOSFET的20kHz逆变器相比，可将整体系统效率提高10%,同时将尺寸缩小两倍5 .未来新一代氮化钱技术GaN功率器件的批量生产已有12年多的历史，但该技术还远未达到其最高的理论性能极限。最新一代GaN晶体管技术仍然比晶体物理极限规定的尺寸大300倍。这意味着GaN技术将在性能和成本上将持续改进，而SiMOSFET技术停滞在几年前就已经达到的硅晶体性能极限。GaN集成电路刚刚进驻各大应用，包括手机的快速充电器、电动自行车电机驱动器，以及汽车和机器人的激光雷达系统。在未来的岁月里，功率转换应用采用氮化钱器件可以让设计者的创新产品实现持续性能优化。
