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GaN设计诀窍:智能拓扑、布局与热管理

2023-02-01 14:18:03 Majeed Ahmad 阅读:
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。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...

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

责编:Ricardo
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