与传统硅芯片相比，单片集成 GaN 功率 IC 具有显着优势，包括卓越的效率、更小的尺寸、更高的速度和更低的成本。GaN 的特别之处在于其天然特性，例如更高的临界电场、更低的导通电阻和更小的寄生电容。
半导体工程师现在正在采用一种称为单片集成的智能方法，该方法涉及将所有电路组件构建在单个芯片上，而不是连接单独的部件。工程师通常在称为硅基氮化镓或 SOI 基氮化镓晶圆的专用平台上构建这些系统，这些平台是构建在其之上的其他一切的基础。
图 1.GaN功率IC的单片集成方法：（a）从供体晶圆到最终金属栅极形成的完整制造工艺流程，（b）3D GaN-Si CMOS集成的结构实现，（c）GaN晶胞的物理布局和电气原理图。（图片：KnowMade)
如图1（a）和图1（b）所示，该技术的基础是利用层转移技术实现GaN和Si CMOS三维单片集成的新型栅极工艺流程。这种先进的制造工艺使工程师能够将 Si PMOS 晶体管与 GaN 晶体管结合在同一芯片上，同时保持高品质因数。
这种方法的一个主要好处是它避免了 p 沟道 GaN 器件的复杂制造，这意味着工程师不必创建全 GaN 器件中通常需要的困难的 p 型 GaN 组件。
让我们看看这种方法如何带来电力电子的两个基本好处。
单片集成如何提高功率密度？
通过使电源转换器物理更小并使它们能够在减少的体积内处理更多功率，可以实现更高的功率密度。这主要是由于效率提高和更高的工作频率而实现的。
- 物理尺寸减小：单片集成可缩小芯片尺寸，并通过将多种功能整合到单个 IC 中来减小体积。这使得紧凑的设计成为可能，例如显示应用中的纳米级控制单元和更小的像素尺寸。
- 抑制寄生电感：在分立电源模块中，来自引线键合、焊点和 PCB 走线的外部电感会阻碍功率晶体管栅极电容的充电和放电，从而减慢开关速度并增加换向损耗。
- 共源电感尤其成问题，因为它在导通期间感应出与栅源电压直接相反的电压，从而减慢电流换向并增加开关损耗。
- 通过将栅极驱动器与功率晶体管集成，这些外部寄生电感从栅极驱动器中移除。这使得IC设计人员能够将内部共源电感降至最低。
- 单片集成的一个重要优势是减少或消除外部共源电感和其他栅极驱动环路电感。这种现象如图 2 所示：
图 2.栅极驱动环路配置显示了 GaN 集成的电感降低优势：（a，b） 具有显着杂散电感的分立实现与 （c，d） 具有最小寄生电感的集成 GaN 解决方案。（图片来源：EPC Corp. Inc.)
- 更快的开关速度和更高的工作频率：寄生电感的降低可实现更快的电流换向速度。图 3 显示 GaN 器件本质上开关速度更快。与硅同类产品相比，GaN 还表现出更低的导通电阻和更小的寄生电容。单片集成进一步增强了这种能力，允许在更高频率下运行（例如，各种应用从 100 kHz 到 3 MHz）。更高的开关频率允许使用更小的无源元件，从而使系统更紧凑，从而获得更高的功率密度。
- 图 3.GaN IC 双脉冲测试：（a） 电路原理图，（b） 封装器件，（c） 测试 PCB，（d） 10 ns 开关转换，可实现高频、高功率密度作。（图片来源：化合物半导体)
提高效率：单片集成的氮化镓转换器可以实现高效率，据报道，即使在高达 250°C 的高温下，效率最高可达 80%。 效率的提高意味着以热量形式浪费的电力更少，从而降低了热管理要求，并允许使用更小、更轻的系统，不需要外部冷却系统。
如何通过单片方法减少组件数量？
单片集成涉及在单个半导体基板上制造多个组件，而不是使用通过外部布线连接的分立组件。这种方法减少了电源转换器系统中所需的单个部件数量：
- 构建块的片上集成：不需要单独的半桥、二极管、电容器、栅极驱动器、死区时间控制器、电平转换器、PWM 电路、诊断和保护电路、稳压器和自举电路，其中许多或全部可以集成到单个 GaN 功率 IC 上。
- 简化的控制信号：例如，带有死区时间发生器的单片 GaN 驱动器可以仅使用一个控制信号进行作，然后该信号会自动为高侧和低侧驱动器生成必要的互补信号。这消除了对外部电路的需求，否则这些电路将管理和预设死区时间。这种现象如图4所示：
图 4.单片 GaN 功率 IC 原理图具有集成的死区时间发生器和驱动器，从而减少了元件数量并简化了系统设计。（图片：IET Wiley)
减少外部驱动电路：将栅极驱动器直接与功率晶体管集成，简化了整体电路布局，并减少了外部驱动电路的数量和尺寸。这可以包括电平转换器、上电复位、交叉保护和延迟匹配等功能，所有这些都集成在 IC 中。
- 独立功能：这种集成导致独立的功能，甚至可以减少高温应用中对外部散热器或冷却系统的需求。
总结
单片 GaN 功率 IC 不使用多个单独的部件，而是将所有电路组件集成到单个芯片上。这种方法之所以有效，是因为 GaN 比硅具有更好的天然特性。主要优点是功率密度更高，所需组件更少。功率密度在几个方面变得更好。
首先，物理尺寸变小。其次，寄生电感降低。第三，开关速度提高，允许高达 3 MHz 的工作频率。第四，即使在 250°C 等非常高的温度下，效率也达到 80%。 组件数量减少，因为许多单独的部件集成到单个芯片中。这些部件包括栅极驱动器、死区时间控制器、电平转换器和保护电路。当所有东西都在单个芯片上协同工作时，系统设计就会变得明显简单。
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