GaN设计诀窍：智能拓扑、布局与热管理

氮化镓(GaN)半导体、电动汽车(EV)以及为提高能效和环境保护而打造的其他产品，成为今年国际消费电子展(CES 2023)的最大亮点。从加拿大GaN功率器件制造商GaN Systems在CES的展出摊位即可看到2023年及其后塑造这种宽禁带(WBG)技术的设计足迹及其具体发展趋势。JYxednc

在该公司的展示摊位上，GAN Systems首席执行官Jim Witham介绍最新的产品，同时谈到了GaN技术和应用的设计进展。他说，原始设备制造商(OEM)从2021年就已经开始寻求将GaN充电器用于手机和笔记本电脑。JYxednc

关于GaN器件的最新动态，Witham提到了数据中心服务器的电源。在展会上，该公司展示xFusion 3kW电源 (PSU)，这是首款采用80 plus Titanium的100W/in³高效率解决方案(图1)。JYxednc

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图1：数据中心服务器用的3kW电源在搭配80 Plus认证方案时可达96%的能效等级。（数据来源：GaN Systems）JYxednc

在汽车领域，另一个亮点是，这家总部位于加拿大渥太华的公司展示了其为EV设计的GaN供电7.2kW车载充电器(OBC)和DC-DC转换器。Witham还展示了其与Daniel Hertz合作的GaN供电Wi-Fi扬声器，它可以从流媒体等数字内容中传输纯模拟声音。此外，还有GaN Systems与Axign合作开发的1,000W D类音频放大器，该设计结合了GaN Systems的GaN功率半导体与Axign的音频放大器控制器。JYxednc

GaN的设计进展

当被问及GaN半导体设计的未来方向时，Witham提到了两件事。首先，在电源子系统中，设计工程师如何将所有器件放在一起并共同封装。“你必须把东西做得更小，采用紧密的闸极回路，并确保良好的热传递。”JYxednc

其次，GaN技术距离其理论性能极限还有30倍的差距，因此仍有空间开发更好的GaN芯片。在这方面，根据Witham的说法，为了充分利用晶体管，设计工程师必须专注于智能拓扑、布局和热管理，而不是使用GaN的原始功率。JYxednc

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图2：设计诀窍在于使用正确的拓扑结构，以便从GaN晶体管中获得最佳价值。（资料来源：Reuters）JYxednc

Witham说：“为了开发更好的电源子系统并生产更好的GaN芯片，我们在这两个领域都付出了巨大努力。关于GaN器件的热管理，热一直都很重要，因为如果你能将热量从器件中排除，最终将能减少在系统上的花费。我们持续在做这些事情，但更重要的是优化使用GaN晶体管。”JYxednc

GaN Systems的发展史

Girvan Patterson和John Roberts于2006年共同创立了GaN Systems。其总部设于加拿大渥太华。但渥太华并不是功率半导体的温床。因此，当被问及为什么选择渥太华时，Witham称原因有三：首先，光学半导体的繁荣就发生在那里，例如像是北电(Nortel)等公司。JYxednc

其次，有大量的创业精神和风险投资资金。“公司创始人将GaN视为电源行业的机遇和成长，尤其是在数据中心、工业马达和充电器方面。”Witham说：“不过，我认为当时还没有人看到电动汽车的巨大增长潜力。”JYxednc

第三，首都渥太华有一个研究机构，即国家研究委员会(NRC)，它为新创公司提供了一个小型GaN晶圆厂，以获得快速的学习周期。Witham 补充道：“这就是为什么我们能够快速设计出可用的GaN晶体管的原因。”JYxednc

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图3：两位渥太华连续创业者(Girvan Patterson和John Roberts)于2006年创立了GaN Systems。（图片来源：GaN Systems）JYxednc

2013年，当台积电为其GaN制造制程进行最后处理时；每当台积电准备投产新的制程时，就会在全球各地进行筛选，同时也与几家公司面谈，之后才选择一家公司作为合作伙伴并进行首款设计。JYxednc

台积电选择了GaN Systems，一旦该公司在渥太华完善其配方后，便将其用于大规模生产的GaN半导体设计转移到台湾。快进来到2023年，GaN Systems声称自家公司是唯一拥有汽车生产项目的GaN半导体公司。在CES 2023，GaN Systems针对EV设计展示了Canoo的OBC以及Vitesco的DC-DC转换器。JYxednc

(原文刊登于EDN美国版，参考链接：The design view from GaN Systems’ booth at CES 2023，由Susan Hong编译。)JYxednc