什么是氮化鎵晶體管?它有什么作用?硅功率MOSFET還沒(méi)有跟上電力電子行業(yè)的發(fā)展變化,在這個(gè)行業(yè)中,效率、功率密度和更小的形式等因素是社區(qū)的主要需求。電力電子工業(yè)已經(jīng)達(dá)到硅MOSFET的理論極限,現(xiàn)在需要轉(zhuǎn)移到新的元素。氮化鎵或氮化鎵是一種高流動(dòng)性的半導(dǎo)體電子半導(dǎo)體(HEMT),在滿足新的應(yīng)用方面被證明是一種真正的附加價(jià)值。
氮化鎵晶體管比硅MOSFET快得多,也小得多。氮化鎵的性能表明,效率和性能有了顯著的提高,導(dǎo)致了一些新的應(yīng)用,這是硅技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。董事會(huì)空間是非常昂貴的。eGaN?FETs,來(lái)自EPC,以低電感、低電阻、低成本的LGA或BGA封裝提供。此外,在硬開(kāi)關(guān)和軟開(kāi)關(guān)應(yīng)用方面,它們?yōu)樵O(shè)計(jì)人員提供了同類產(chǎn)品中最好的。
氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管
GaN開(kāi)關(guān)器件有兩種不同的類型:增強(qiáng)模式(e-GaN)和cascode耗盡模式(d-GaN)。一個(gè)e-GaN作為一個(gè)普通的MOSFET工作,即使它有一個(gè)門到源的電壓降低。它提供了一個(gè)更簡(jiǎn)單的封裝,一個(gè)低電阻沒(méi)有身體二極管與雙向通道,表現(xiàn)像這樣。
d-GaN晶體管通常是打開(kāi)的,需要一個(gè)負(fù)電壓。您可以通過(guò)將HEMT晶體管與低壓硅MOSFET串聯(lián)來(lái)克服這個(gè)問(wèn)題
相比之下,e-GaN晶體管通常是關(guān)閉的,并在施加正電壓的情況下打開(kāi)。與d-GaN不同,e-GaN設(shè)備不需要負(fù)的啟動(dòng)偏置:當(dāng)柵極上的偏置為零時(shí),設(shè)備被關(guān)閉,不傳導(dǎo)任何電流。
e-GaN場(chǎng)效應(yīng)晶體管的閾值低于硅場(chǎng)效應(yīng)晶體管的閾值。這提供了一個(gè)非常低的門極-漏極電容(CGD)。它的低電容結(jié)構(gòu)允許在兆赫頻率的毫微秒內(nèi)轉(zhuǎn)換數(shù)百伏特。與CGD相比,柵源電容(CGS)是另一個(gè)較大的參數(shù),這使得GaN FETs具有良好的抗dv/dt能力。電源開(kāi)關(guān)器件的dV/dt靈敏度是由各種寄生電容和門驅(qū)動(dòng)電路阻抗引起的。另一方面,門電荷Qg參數(shù)表示設(shè)備快速變化的能力,達(dá)到更高的dV/dT而開(kāi)關(guān)損耗最小。e-GaN器件比MOSFET高10倍,而d-GaN器件比MOSFET高2 -5倍。
要確定電源開(kāi)關(guān)的dV/dt靈敏度,可以使用一個(gè)名為Miller充電比(QGD/QGS1)的數(shù)值。一個(gè)米勒電荷比小于1將保證理論上的dV/dt免疫。柵極驅(qū)動(dòng)電路布局是提高抗dV/dt能力的關(guān)鍵因素。
d-GaN晶體管具有低壓硅場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極。因此,現(xiàn)有的商用MOSFET門驅(qū)動(dòng)器可以很容易地操作d-GaN開(kāi)關(guān)。d-GaN器件的一個(gè)不利的影響是由于硅場(chǎng)效應(yīng)晶體管的點(diǎn)火電阻的增加而產(chǎn)生的較高的點(diǎn)火電阻。對(duì)于低電壓(《200 V),這種增加是顯著的。對(duì)于高電壓(600 V),這種增加的電阻只能是總電阻的5%左右。
d-GaN晶體管增加了封裝的復(fù)雜性。MOSFET器件與GaN HEMT之間的寄生電感和電容可能會(huì)在開(kāi)關(guān)瞬態(tài)過(guò)程中造成延遲。在開(kāi)關(guān)類型中,器件的反向?qū)щ娞匦允呛苤匾摹T贛OSFET中,體二極管的壓降很低,其反向恢復(fù)非常緩慢,導(dǎo)致了顯著的高開(kāi)關(guān)損耗。
氮化鎵器件沒(méi)有反向體二極管,但由于其物理性質(zhì),可以反向?qū)щ姟T诜聪騻鲗?dǎo)的情況下,將有必要有空載時(shí)間。級(jí)聯(lián)的d-GaN器件由于串聯(lián)MOSFET中的低壓硅而具有反向恢復(fù)能力。
在硬開(kāi)關(guān)變換器中,輸出電荷在每次通電過(guò)渡時(shí)在場(chǎng)效應(yīng)管中耗散。這種損耗與QOSS、總線電壓和開(kāi)關(guān)頻率成正比。氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的QOSS明顯低于硅場(chǎng)效應(yīng)晶體管,降低了每個(gè)周期的輸出電荷損耗,因此允許更高的頻率(圖2)。
為汽車和消費(fèi)者提供解決方案
新興的計(jì)算應(yīng)用程序在更小的形式上需要更多的能力。除了擴(kuò)大需求的服務(wù)器市場(chǎng),一些最具挑戰(zhàn)性的應(yīng)用程序多用戶游戲系統(tǒng),自動(dòng)汽車,和人工智能汽車系統(tǒng)越來(lái)越朝著48 V設(shè)備,由電子控制高能耗的增加功能和自動(dòng)車輛的出現(xiàn),從激光雷達(dá)等系統(tǒng)創(chuàng)建額外的要求,雷達(dá)、相機(jī)和能量分布系統(tǒng)上的超聲波傳感器。這些處理器是“高耗能的”,是汽車行業(yè)傳統(tǒng)12v配電母線的額外負(fù)擔(dān)。對(duì)于48v總線系統(tǒng),GaN技術(shù)提高了效率,減小了系統(tǒng)規(guī)模,降低了系統(tǒng)成本。一個(gè)250 kHz GaN解決方案與兩倍的頻率允許減少35%的大小,導(dǎo)致減少電感器DCR損耗,以及削減系統(tǒng)成本約20%相比,MOSFET解決方案。氮化鎵具有極高的電子遷移率和較低的溫度系數(shù),因此可以獲得較低的QG和零QRR。最終的結(jié)果是一種能夠以非常高的開(kāi)關(guān)頻率和低的準(zhǔn)時(shí)率來(lái)管理任務(wù)的設(shè)備,這對(duì)那些以開(kāi)機(jī)狀態(tài)損耗為主的設(shè)備來(lái)說(shuō)是有益的。
“高功率EPC eGaN?FETs在工作狀態(tài)下提供更低的電阻,更低的電容,更高的電流和優(yōu)異的熱性能,這些功率轉(zhuǎn)換器具有98%以上的效率。”這一家族的eGaN FETs一半電阻(RDS(on)),使高電流和高功率密度的應(yīng)用。亞歷克斯·利多博士說(shuō),他是EPC公司的首席執(zhí)行官和聯(lián)合創(chuàng)始人。
與上一代相比,最新一代的eGaN FETs在改善高頻功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用中的開(kāi)關(guān)性能方面的優(yōu)點(diǎn)也減少了一半。將GaN的性能優(yōu)勢(shì)提高到30v可以用于為隔離電源、pc和服務(wù)器構(gòu)建高功率DC/DC轉(zhuǎn)換器、PoL轉(zhuǎn)換器和同步整流器。
采用諸如EPC2045等eGaN?場(chǎng)效應(yīng)晶體管,可以實(shí)現(xiàn)最小、最經(jīng)濟(jì)有效和最高效率的非隔離48v - 12v轉(zhuǎn)換器,適用于高性能計(jì)算和電信應(yīng)用。EPC2045的工作溫度di -40至+150°C,熱阻di 1.4°C/W。漏源極導(dǎo)通電阻為5.6 mΩ典型
在消費(fèi)市場(chǎng),便攜式解決方案正變得越來(lái)越“耗能”。考慮到筆記本電腦的體積很小,有時(shí)使用冷卻解決方案,有時(shí)幾乎為零,因此能夠管理效率和熱管理是非常重要的。對(duì)快速、高效充電器的需求引導(dǎo)市場(chǎng)向新的GaN解決方案發(fā)展
激光雷達(dá)
當(dāng)在激光雷達(dá)系統(tǒng)中打開(kāi)激光時(shí),eGaN?fet和集成電路是合乎邏輯的選擇,因?yàn)閒et可以被激活,產(chǎn)生具有極短脈沖寬度的高電流脈沖。短脈沖寬度導(dǎo)致更高的分辨率,更高的脈沖電流允許激光雷達(dá)系統(tǒng)看到更遠(yuǎn)。這兩個(gè)特點(diǎn),加上它們極小的體積,使GaN成為激光雷達(dá)的理想選擇。
EPC提供各種開(kāi)發(fā)板。EPC9144主要用于驅(qū)動(dòng)高電流激光二極管,具有高電流脈沖,總脈沖寬度為1.2 ns,電流可達(dá)28a。該板是圍繞15v EPC2216 eGaN?FET汽車認(rèn)證AEC-Q101設(shè)計(jì)的。EPC9126和EPC9126HC開(kāi)發(fā)板主要用于驅(qū)動(dòng)高電流脈沖的激光二極管,總脈沖寬度低至5納秒(峰值的10%)。它們采用100V EPC2212和EPC2001C增強(qiáng)模式(eGaN?)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)設(shè)計(jì),分別能夠承受75 A和150 A的電流脈沖。
基于這一技術(shù),賽普頓最先進(jìn)的激光雷達(dá)解決方案Helius提供了先進(jìn)的目標(biāo)檢測(cè)、跟蹤和分類能力,為智能城市、交通基礎(chǔ)設(shè)施、安全等領(lǐng)域提供了廣泛的應(yīng)用。它體現(xiàn)了三種前沿技術(shù)的空前融合:由Cepton的專利微動(dòng)技術(shù)(MMT?)驅(qū)動(dòng)的行業(yè)領(lǐng)先的3D激光雷達(dá)傳感;最小數(shù)據(jù)負(fù)擔(dān)和最易集成的邊緣計(jì)算;以及用于實(shí)時(shí)分析的內(nèi)置高級(jí)感知軟件。
“激光雷達(dá)也已經(jīng)成為一個(gè)非常重要的市場(chǎng)。它可能是最被認(rèn)可的自動(dòng)駕駛汽車解決方案。然而,一個(gè)增長(zhǎng)更快的市場(chǎng)是短距離激光雷達(dá),它被用于機(jī)器人,只需要看到幾英尺,避免碰撞的無(wú)人機(jī),和駕駛員的警覺(jué)性系統(tǒng)。短程激光雷達(dá)系統(tǒng)不像遠(yuǎn)程激光雷達(dá)系統(tǒng)需要那么多的電流,但看到短距離意味著你需要一個(gè)更快的脈沖。因?yàn)槿绻銣y(cè)量的是一米以外的東西,這意味著返回信號(hào)將在幾納秒內(nèi)返回。我們已經(jīng)演示了脈沖寬度小于1.2納秒的短程激光雷達(dá)系統(tǒng)。亞歷克斯·利多說(shuō)道。
無(wú)線供電
“無(wú)線能源已準(zhǔn)備好融入我們的日常生活。亞歷克斯·利多說(shuō)。發(fā)射機(jī)可以放置在家具,墻壁,地板,以有效和經(jīng)濟(jì)的電力或充電我們的電子和電子設(shè)備在大面積和跨多個(gè)設(shè)備。無(wú)線能量傳輸?shù)母拍钜呀?jīng)為人所知有一段時(shí)間了,準(zhǔn)確的說(shuō)是100多年前,可以追溯到特斯拉線圈的發(fā)明。無(wú)線能量傳輸?shù)囊粋€(gè)關(guān)鍵因素是效率:為了能夠有效地定義系統(tǒng),發(fā)電機(jī)傳輸?shù)拇蟛糠帜芰勘仨毜竭_(dá)接收設(shè)備。
磁共振技術(shù)是實(shí)現(xiàn)無(wú)所不在的關(guān)鍵——使大面積的傳輸成為可能,為定位接收設(shè)備提供空間自由,以及同時(shí)為多個(gè)設(shè)備供電的能力。
EPC提供了全方位的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)參考設(shè)計(jì),從單個(gè)設(shè)備充電到多個(gè)設(shè)備同時(shí)供電跨越一個(gè)大的表面積。GaN使得低頻率(Qi)和高頻率(空氣燃料)標(biāo)準(zhǔn)的高效率更低的成本成為可能;單發(fā)射放大器解決方案,可以無(wú)線充電設(shè)備,無(wú)論使用的標(biāo)準(zhǔn)在接收設(shè)備。依賴Qi標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線充電系統(tǒng)通過(guò)感應(yīng)耦合在100到300千赫的頻率范圍內(nèi)運(yùn)行。
音頻應(yīng)用程序
D類音頻系統(tǒng)的低功耗產(chǎn)生更少的熱量,節(jié)省空間和印刷電路板的成本,并延長(zhǎng)便攜式系統(tǒng)的電池壽命。GaN fet提供高保真度D級(jí)音頻放大器。然而,最近,隨著具有更好物理性能的gan基高電子遷移率晶體管(HEMT)器件成為現(xiàn)實(shí),D類放大器性能的飛躍近在咫尺。
eGaN?fet的低電阻和低電容提供了低瞬態(tài)互調(diào)失真(T-IMD)。快速的開(kāi)關(guān)能力和零反向恢復(fù)電荷使更高的輸出線性和低交叉失真為低總諧波失真(THD)。
“一流的D放大器是專為汽車設(shè)計(jì)的,因?yàn)樗麄兿胱屍嚀碛懈嗟膿P(yáng)聲器和更大的功率。A類放大器太大了,不能產(chǎn)生超過(guò)25瓦的功率,而且還能裝在儀表盤里。D級(jí)轎車于20世紀(jì)80年代首次推出,配備了16個(gè)揚(yáng)聲器,功率為250瓦。但是音質(zhì)從來(lái)沒(méi)有a級(jí)功放和d級(jí)功放好,這是因?yàn)閙osfet的切換速度不夠快,所以切換頻率相對(duì)較低,復(fù)制質(zhì)量相對(duì)較差。當(dāng)然,有了GaN設(shè)備,你可以使用更高的頻率。
空間應(yīng)用
氮化鎵的增強(qiáng)模態(tài)版本(eGaN)被廣泛應(yīng)用于空間應(yīng)用的開(kāi)發(fā)。商用GaN電源設(shè)備比傳統(tǒng)的基于硅技術(shù)的Rad硬器件具有更高的性能。這使得創(chuàng)新架構(gòu)得以實(shí)現(xiàn),并在衛(wèi)星、數(shù)據(jù)傳輸、無(wú)人機(jī)、機(jī)器人和航天器上得到應(yīng)用。
伊根場(chǎng)效應(yīng)晶體管提供了抗輻射能力,快速的開(kāi)關(guān)速度,提高了效率,導(dǎo)致更小和更輕的電源(更小的磁鐵和更小的散熱器尺寸,甚至在許多情況下消除散熱器)。電源設(shè)計(jì)人員可以選擇增加頻率,讓磁鐵更小,提高效率或設(shè)計(jì)一個(gè)令人滿意的平衡兩者。伊根場(chǎng)效應(yīng)晶體管也比等效的mosfet小。更快的瞬態(tài)響應(yīng)也可以減少電容器的尺寸。以上就是氮化鎵晶體管解析,希望能給大家?guī)椭?/p>
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