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想用GaN设计高性能电源产品?你得先了解这些

时间:2018-12-29 作者:赵明灿 阅读:
氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)具有快速开关性能,有助于提高效率,同时比硅的损耗低。因此,许多电源厂商都想借此在高性能产品上抢占先机。就氮化镓而言,从Gartner技术成熟度曲线上看,这一技术现处于第二次攀升阶段,热潮已过,已经成熟。现在已是非常好的时机来看这类产品和技术了。

什么是氮化镓?

日前,英飞凌科技奥地利股份有限公司电源管理与多元化事业部资深市场营销经理邓巍博士介绍说,氮化镓是一种宽禁带半导体材料(WBG),与硅等传统的半导体材料相比,它能够让器件在更高的电压、频率和温度下运行。

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英飞凌科技奥地利股份有限公司电源管理与多元化事业部资深市场营销经理邓巍博士

从氮化镓和硅的截面图看,硅是垂直型结构,氮化镓是平面型结构,在结构上有本质的不同。硅的带隙是1.1eV,氮化镓是3.4eV。氮化镓已经在60年代应用于LED产品中,只是在电源类产品中在近几年被慢慢市场开始接受。

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他指出,市场上应用的领域,硅目前还是市场上最主流的解决方案。那么,怎么样去定位碳化硅和氮化镓类产品呢?SiC主要定位为大功率、高电压的一些应用,比如从600V直到3.3kV是SiC比较合适的应用场景。GaN则定位中低压产品,大概是100-600V。氮化镓产品还有一个特性是能够在高频下无损耗地进行开关。对于开关器件来说,硅仍会是市场的一个主流,而在一些高性能的硅所达不到的高端产品应用中,就可以由碳化硅和氮化镓来进行技术补充。

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氮化镓非常热门

他介绍说,市场上关于氮化镓的解决方案,有三种不同的趋势:

1.分立式+外部驱动器;

2.多片集成——开关和驱动虽然是不同的衬底,但封装在同一个壳子里;

3.单片集成,即氮化镓的开关、驱动和其他器件作为同衬底的解决方案。

现在市场上的公司着重不同的解决方案。就成熟度来说,分立式器件是目前最成熟的一种解决方案。但是渐渐地,氮化镓会在多片集成和单片集成中也体现出优势。

氮化镓现在的发展非常快,基于氮化镓的器件市场总值有望超过10亿美元。

从市场的分布来说,电源类产品大概占到整个市场的40%左右。在汽车类的应用可能起步得比较晚,但是它的成长非常快,特别后面几年,汽车关于氮化镓的应用是一个非常大的应用。

CoolGaN目标应用

CoolGaN是英飞凌氮化镓产品的商标,该公司现已在氮化镓方面推出了五到六类目标应用,如服务器、电信、无线充电、音频、适配器等应用。

“当然,氮化镓不仅限于这些应用,我们希望更多的领域来尝试我们的氮化镓产品。”邓博士指出,“我们也在和客户、分销商一起探索如何将氮化镓应用到更多的领域当中,比如说太阳能、照明、消费电子、电视等等。”

600V CoolGaN技术

英飞凌的CoolGaN采用常闭式设计,更符合用户习惯。邓博士解释说:

1.P型氮化镓电阻栅,栅极电压超出正向电压时空穴注入。英飞凌氮化镓采用的是一个常关的理念。氮化镓作为第三代半导体器件,如果不在栅极做任何电压动作的话,它中间有一个二维电子气层,会有电子在中间流动。

常开型的器件很难被客户应用和接受,因为大家无论是在硅还是其他器件上,已经熟悉了常关型的理念。所以,英飞凌在技术细节和工艺上做了一些改动,在栅极加了P-,做出了一个市场比较容易理解的常关型器件。

2.P型氮化镓漏极接触,避免电流崩溃。氮化镓有一个比较棘手的问题是动态RDS(ON),英飞凌解决这个问题的关键就在于把P-引入。氮化镓器件在开关的时候有很多的电子被漏极的电子限制在里面不流通,这样会对动态RDS(ON)造成影响。而引入P-之后,可以把表面的电子中和掉,从而从技术的根本上解决问题。“这个结构只有英飞凌和松下可以用。”他透露。

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适用于CoolGaN 冷却原理的贴片式(SMD)封装

氮化镓在高频情况下能够无损耗地进行开关。为了充分利用封装的优势,英飞凌引入了贴片式封装,它的优势在于阱深参数比较小,可以最大效率地发挥。“我们引入的是SMD封装。区别在于热性能不同。顶部散热的热性能更好,但它的体积更大。英飞凌可以根据不同的客户、不同的需求提供不同的产品。有的客户要求散热性能更好,有的客户要求体积更小,我们可分别提供不同封装的产品。”

EiceDRIVER 驱动芯片

英飞凌氮化镓产品的等效电路,其栅极是一个阻性的栅极,有一个二极管进行自钳断,邓博士介绍说。这个结构只有英飞凌和松下有。这个等效电路在提供这些优势的同时,可靠性也非常高,所以也能保证高质量。

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氮化镓的驱动有一些特殊要求。首先要接通脉冲,氮化镓在导通时要有稳态的导通电流来保持开通。然后需要用负的脉冲来关断。这两个要求给电源厂商设计产品带来挑战,驱动不好就代表它的优势不能最大化。因此,英飞凌自主研发了三款不同的氮化镓的驱动器,具有如下图所示的优势。

氮化镓驱动器评估板:在1MHz 的情况下对CoolGaN可靠开关

同时,英飞凌提供氮化镓驱动器评估板,它能够在1MHz的情况下可靠工作。邓博士解释说,它是一个半桥结构,有高端和低端。高端打开的时候,低端要关断;反之亦然。也就是说,在打开一侧的时候,另一侧提供的驱动必须是负电压的状态。原因是,氮化镓一般是常开型的产品,而英飞凌做的是常关型的产品。但是常关型产品的栅极电压比较低,大概1-1.5V左右,很容易误打开。万一一端打开,另一端误打开,它整个就导通,整个器件就失效了。所以,需要保证器件在半桥结构下可靠地使用。

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CoolGaN的价值主张和主要优势

GoolGaN能够在半桥拓扑中实现硬开关,优势是灵活、高效,系统成本比较低。“我们用自己的氮化镓产品做了一个PFC的板,能够在10%-100%的负载情况下达到稳定率高于99%的效率,峰值达到99.3%。”邓博士说。这个拓扑结构设计更简单、达到最佳效率、体积更小、降低系统成本。

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最后他强调,竞争对手用的可靠性模型往往是非常激进的,展示的往往是最好的case。若RDS(ON)的问题没有解决,在使用中寿命会有所降低。“而英飞凌的模型永远是比较保守的模型,我们总会考虑最坏的情况是怎么样。英飞凌的产品有大于10年的使用寿命,数据参数等永远会考虑很多的余量。我们动态的RDS(ON)是为0的,有更稳健(损耗更小)的栅极理念。我们有专门的资质认证方法,和竞争对手有所不同。所以,英飞凌的氮化镓是业内最可靠的氮化镓产品。”

客户案例:数据中心用AC-DC电源设计优势

英飞凌的一家客户,Bel Power Solutions,将其CoolGaN产品用到了数据中心的电源产品开发上。该公司研发部电子设计助理经理陈伟介绍说,Bel Power Solutions为Facebook提供了一整套的解决方案。

Bel Power Solutions成功设计了一款基于CoolGaN的6KW AC-DC电源,其中使用了英飞凌 8×8mm 封装的IGLD60R070D1。这种贴片封装在效率、散热和空间优化方面提供了很好的平衡。

这款产品用于数据中心,提供了更高的效率和功率密度。主要性能如下:

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这款产品的主要优势是,通过应用氮化镓器件,让整个电源的设计超高效率,在体积方面做到最好的优化。

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赵明灿
赵明灿是EDN China的产业分析师/技术编辑。他在电子行业拥有10多年的从业经验。在加入ASPENCORE之前,他曾在电源和智能电表等领域担任过4年的工程师。
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