意法半導體?在PCIM Europe?虛擬會議上首次向業(yè)界展示了該公司用于汽車應用的集成式?STi 2 GaN系列 GaN 功率器件?。利用臺積電的 GaN 技術(shù)及其自身獨特的設(shè)計和封裝專業(yè)知識，包括 100-V 和 650-V 單片芯片和 100-V ASSP 在內(nèi)的新型 GaN 器件聲稱具有更低的寄生電感、出色的散熱能力、快速開關(guān)和高在緊湊的封裝中進行頻率操作，以節(jié)省空間和成本。

“STi 2 GaN 解決方案構(gòu)建了從單片功率級到驅(qū)動器一直到控制邏輯集成的多重產(chǎn)品，并使用創(chuàng)新的無鍵合線封裝來提供高穩(wěn)健性和可靠性”，Rodrigo Marquina 說, ST 的高級技術(shù)營銷工程師，在 PCIM 演講中：“智能電力電子的新浪潮”。

“臺積電提供 GaN 技術(shù)，包括 100-V 和 650-V e-Mode GaN，并且由于它基于 p-GaN 柵極結(jié)構(gòu)，因此器件通常處于關(guān)閉狀態(tài)，這對于汽車應用非常重要”，Marquina 說. “ST 正在提供具有自己設(shè)計規(guī)則的專用獨特設(shè)計。對于 100V 器件，我們更進一步，在系統(tǒng)級封裝方法中，我們將邏輯與我們最新的基于硅的技術(shù) BCD9 技術(shù)集成在一起。這提供了更簡單的 GaN 電源柵極電壓驅(qū)動器，同時實現(xiàn)了高速邏輯控制?！?/p>

圖片：意法半導體的介紹

Marquina 解釋說，新系列解決了三個不同的“模塊”：功率級、功率級和設(shè)備保護的驅(qū)動器以及邏輯控制。這些器件可用作具有驅(qū)動器和保護功能的單片 GaN 功率級，或作為集成了單片 GaN 功率級、驅(qū)動器（GaN 或硅）和硅控制器的系統(tǒng)級封裝器件。

圖片：意法半導體

集成的 GaN 功率器件還具有緊湊的尺寸。“一旦一切都集成在一起，我們就會降低寄生電感并提高穩(wěn)健性，從而提高可靠性，”Marquina 說。

這與集成設(shè)備的高性能屬性相結(jié)合?！拔覀兝^承了 GaN 開關(guān)能力的高頻操作，”他說。“與此同時，我們降低了 EMI，并且由于采用了 LISI 等無鍵合線封裝，我們極大地改善了散熱?！?/p>

微調(diào)的投資組合

STi 2 GaN 產(chǎn)品組合提供從帶有驅(qū)動器的單片功率級一直到控制邏輯集成的解決方案，它結(jié)合了臺積電的 GaN 技術(shù)和 ST 的硅基 BCD 技術(shù)以及新穎的無鍵合線封裝。

該系列分為 100-V 和 650-V 應用。在 100V 領(lǐng)域，首批器件面向 48V/12V DC/DC 轉(zhuǎn)換器和 LiDAR 應用。這些設(shè)備是使用系統(tǒng)級封裝方法開發(fā)的，這意味著功率級使用 GaN 技術(shù)，而所有集成控制和保護都在硅中。

“更具體地說，關(guān)于第一個應用——雙向 48V/12V DC/DC 轉(zhuǎn)換器——它是一個單片 GaN 半橋，高側(cè) [HS] 為 2 mΩ，低側(cè) [LS] 為 1 mΩ，具有硅驅(qū)動器和控制器，”Marquina 說。

“這種集成允許高達 1 MHz 的開關(guān)速度，如果我們采用更典型的 PWM 或 500 kHz，我們的目標效率為 98%，這種方法適用于解決集中式和分布式電源架構(gòu)，”他補充道. “在這兩種情況下（集中式或分布式），我們每個設(shè)備的每相功率都達到 900 W，系統(tǒng)效率高達 98%，開關(guān)頻率高達 1 MHz?！?/p>

Marquina 還補充說，LiDAR 應用需要在很短的時間內(nèi)提供高密度的功率脈沖。為了滿足這一應用，ST 正在開發(fā)單通道激光驅(qū)動器和四通道激光驅(qū)動器，這些設(shè)備中的每一個都將能夠在僅 400 皮秒的上升時間內(nèi)提供 50-A 脈沖。

ST 還在開發(fā) 100-V 技術(shù)的衍生產(chǎn)品，這是一種具有驅(qū)動器和保護功能的全橋單片 GaN 器件。

100V 器件采用小而薄的 2SPAK 封裝，由于散熱板具有散熱功能，因此可提供極好的熱性能。
100V ASSP 的第一個工程樣品可用于開始評估。ST 預計到 2023 年第四季度將獲得合格樣品。

STMicroelectronics 的 STi2GaN 650-V GaN 功率器件（來源：STMicroelectronics）

650-V 系列的第一批成員被細分為用于 OBC 和輔助電源應用的器件。Marquina 表示，低歐姆 OBC 器件是具有集成驅(qū)動器和保護電路的 30-mΩ 和 65-mΩ 全單片低側(cè) HEMT，因此不僅功率級而且它們的控制都使用 GaN 技術(shù)。

“通過不使用硅，我們可以將開關(guān)頻率提高到 2 MHz，不僅如此，我們還能夠?qū)?dV/dt 進行編程，它包括短路和熱保護，”他說。

ST 為這些 LS HEMT 選擇了 LISI slug-up 封裝，它“極大地減少了寄生影響，提供了出色的熱性能的雙面冷卻，以及焊盤定位和通孔數(shù)量的靈活性，”Marquina 說。它還緊湊而薄，尺寸為 6 × 5 × 0.8 mm。

第一批高歐姆器件的起始電阻為 190 mΩ，最高可達 500 mΩ。這些也是單片 LS HEMT，但它們集成了 PWM 控制器以及驅(qū)動器和保護電路。Marquina 說：“我們?nèi)匀挥锌删幊痰拈_啟 dV/dt，還包括可變 PWM 占空比，當然還有待機電流非常低的優(yōu)勢”。

可提供 650V 器件的首批工程樣品。合格的樣品預計在 2023 年底。

STMicroelectronics 的 STi2GaN 100-V 器件（來源：STMicroelectronics）

雜散電感：分立與集成解決方案

GaN 的一個關(guān)鍵優(yōu)勢是其非常高的開關(guān)能力，但快速開關(guān)會帶來雜散電感問題。Marquina 表示，集成解決方案在解決雜散電感問題方面具有優(yōu)勢，同時通過減少外部組件的尺寸和數(shù)量可節(jié)省高達 40% 的空間。

看看分立式 GaN 解決方案，有幾種類型的雜散電感需要解決。“我們需要注意柵極驅(qū)動環(huán)路雜散電感，這會增加誤導的可能性，當然還會帶來額外的柵極應力，”Marquina 說。

“我們需要注意的次級電感是那些與功率回路相關(guān)的電感，”他補充道。“電源回路中的雜散電感可能會導致更高的電壓尖峰，從而給您的設(shè)備增加更多壓力?！?/p>

Marquina 還指出，為了減少這些雜散電感的影響，需要一個柵極傾倒電阻和一個布局優(yōu)化的多層 PCB，這會轉(zhuǎn)化為額外的資源、時間和成本。

分立 GaN（左）與集成 GaN（右）解決方案（來源：意法半導體）

Marquina 說，看看柵極驅(qū)動環(huán)路，集成 STi2GaN 解決方案，它“大大減少了柵極源電壓振鈴”。“通過降低柵極結(jié)構(gòu)上的應力，我們提高了可靠性。我們還降低了驅(qū)動器輸出的阻尼電阻，這可以實現(xiàn)更快的切換，并在默認情況下降低切換損耗?！?/p>

關(guān)于電源回路中的雜散電感，STi 2 GaN 解決方案“還大大降低了漏源電壓尖峰，因此，它降低了開關(guān)損耗、EMI 和漏源電壓應力?！?/p>

但這不僅僅是關(guān)于雜散電感，Marquina 說?！按笮∈马?。PCB 尺寸成本、無源元件數(shù)量以及系統(tǒng)在 OEM 結(jié)構(gòu)中所占的體積都很重要，成本有時難以量化?！?/p>

Marquina以 48V/12V DC/DC 轉(zhuǎn)換器 STi 2 GaN 解決方案與類似的分立硅解決方案為例，表示集成的 STi 2 GaN“大大減少了外部組件的數(shù)量”。這包括 48V 或 12V 側(cè)的凈電容器的數(shù)量和大小以及功率級和保護所需的設(shè)備。他說，這可以將應用程序的大小減少大約 40%。

作為總結(jié)，Marquina 指出 STi2GaN 提供快速開關(guān)，同時減少雜散電感，集成解決方案簡化了系統(tǒng)實施，減少了空間限制，并提高了整體效率。

審核編輯 黃昊宇