杂交种,EVS为GaN Power Device提供甜蜜点

文章:EEWEB

与基于硅的传统解决方案相比,在电源转换器等应用中使用氮化镓能够显著改善:更高的功率效率、更小的体积、更轻的重量和更低的总体成本。

由于其化学物理性质和高度可靠的制造工艺,硅(SI)已经多年来用于制造被动和有源电子元件的最常用的半导体。MOSFET和IGBT技术的引入还使SI在电源应用中使用,其特征在于特别高的电流和电压。然而,今天,该半导体的性能几乎完全达到了理论极限,突出了Si的技术提供的一些缺点,特别是:散热有限,有限的效率和不可忽略的传导损耗。近年来开展的研究活动使得可以识别一些称为宽带隙(WBG)半导体的材料,其性质能够克服Si提供的限制。

氮化镓(GaN)属于半导体的这一类,特别适用于功率应用,由于其优越的特性,与硅相比,特别是它的能力,在相同的工作频率下,其内部切换速度更快的硅或碳化硅(SiC);较低的内部开关损耗,因为其优越的电子迁移率,高2倍;较低的寄生电感导致较高的工作频率,特别是在软开关拓扑中;根据其较高的临界电场强度(3.3 MV/cm),而Si为0.3 MV/cm,对给定尺寸的模具提供更高的工作电压,所有这些都导致了更高的效率。与基于硅的传统解决方案相比,在电源转换器等应用中使用氮化镓能够显著改善:更高的功率效率、更小的体积、更轻的重量和更低的总体成本。虽然开关损耗增加,因为频率是功率损耗的命题,增加操作频率可以导致更小的形式因素和整体较低的系统成本。除了氮化镓优越的电子迁移率、减少交叉损耗外,还可以通过减少对笨重散热器和冷却系统的需求、减少电源的重量和尺寸来实现热性能。

GaN属性

WBG半导体家族,除了GaN之外,还包括同样著名的SiC,包括具有相对较大能带隙的材料,特别是与Si相比。又称禁带,它表示价带的上限与导带的下限之间存在的能隙。正是这种带隙的存在允许半导体通过一些外部可控的电气参数在开和关状态之间切换。GaN的禁带宽度为3.4 eV,明显高于Si (1.2 eV)。氮化镓电子的流动性越大,开关速度就越快,因为通常积聚在结上的电荷可以更快地分散。更宽的带隙也允许更高温度的操作。随着温度的升高,价带内电子的热能增加,一旦超过某一温度阈值,电子进入导区。对于Si,这个温度阈值约为150°C,而对于GaN,这个温度阈值甚至高于400°C。宽的带隙也意味着更大的击穿电压。因此,在相同的击穿电压下,有可能产生更薄的层,增加半导体的掺杂水平,获得更低的通电阻值,如图所示图1

图1:导通电阻图与击穿电压的关系

与传统Si技术相比,GaN技术的主要优势可以概括为:

  • 效率较大,占地面积小,重量低
  • 击穿电压高(600 V以上)
  • 高功率密度
  • 优秀的热导率
  • 高运行和开关频率
  • 低导通电阻
  • 耐高温操作(300°C以上)
  • 高可靠性
  • 接近于零的反向恢复时间

领导GaN革命

由于与硅相比具有优越的性能,GaN在需要高效、可靠、能够减少应用尺寸、重量和成本的电力设备领域迅速蔓延。日益面向混合动力和电动汽车的汽车行业,可以从GaN在DC/AC逆变器、DC/DC逆变器、AC/DC车载充电器、电动汽车动力系统等设备中的应用中获益图2)。

氮化镓现在是一种流行的功率转换选择。650 ~ 900 V范围的高压GaN HEMTs (GaN fet)正成为电能转换的下一个标准。650 v GaN场效应管具有减小尺寸(形状因素)和节约能源(高效率)的能力,现在已被大众市场所采用。

在系统中,GaN在交直流无桥图腾柱PFC中提供了很高的价值,与成熟的基于模拟的经典升压PFC不同,它使用数字编程。GaN提供具有成本竞争力、易于嵌入的解决方案,可将能量损耗降低50%以上,将系统尺寸缩小40%以上,并简化转换器/逆变器的设计和制造,有助于降低系统成本。

图2:EV/HEV GaN应用

Transphorm的垂直综合业务方法利用行业最有经验的GAN工程团队在每个发展阶段:设计,制造,设备和应用支持。这种方法支持的方法是一个超过1,000项专利的行业最大的IP投资组合,已经产生了该行业唯一的JEDEC和AEC-Q101合格的GAN FET。Transphorm的创新是将电力电子产品移动超出Si的局限性,达到99%的效率,功率密度更多40%,系统成本降低了20%。

高压GaN技术有利于许多需要可靠的更高效率和更高性能功率转换的市场。主要应用领域是以下内容:

  • 数据中心、基础设施和IT电源:GaN增加了标准化服务器和电信形式的清洁电力输出。
  • 工业UPS和电池充电器:GaN技术减少了运行工业工厂的系统的尺寸和重量,充电电池供电的叉车和电动车辆,并保持关键数据。
  • 汽车和电动汽车充电:氮化镓每一次充电可以产生更长的距离,整体系统成本更低。
  • 消费者和计算:GaN技术提高了适配器,游戏和电源的效率,导致了更好的热管理,提高功率密度和更低的系统成本。

高压GaN 650-到950-V场效应晶体管正成为下一个功率转换标准。他们提供具有成本竞争力,易于嵌入的解决方案,减少50%以上的能量损失,缩小系统尺寸超过40%,并简化电源转换器/逆变器的设计和制造。

Transphorm公司的一名发言人说:“transhorm公司的GaN场效应晶体管的转换速度比硅解决方案快4倍。”“此外,与硅mosfet不同,GaN晶体管本质上是双向的,并在无桥图腾柱功率因数校正设计中进行了优化。”

今天的EV车载充电器需要低重量和体积小。“高效率和高频运营有助于实现这一目标,经过频晶甘FET和LLC拓扑所提供的益处,”发言人说。

transhorm GaN场效应晶体管特别适合LLC和其他高频谐振应用,原因如下:开关速度快,漏极电荷低(QOSS= COSS(tr)×vDS.),非常快的主体二极管(低QRR)和低栅极驱动电流要求。

图3:LLC拓扑和全桥主次的仿真原理图

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  1. Ghodke Dharmraj 说:

    我没有找到任何甜蜜的地方,看起来更复杂和笨重。