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氮化镓系统 (GaN Systems)氮化鎵功率器件在快充市場的應用

摘要: 氮化鎵成爲電子行業的熱門技術,圍繞氮化鎵的產品、可靠性和解決方案是目前業界關注焦點。本文將探討充電器的技術發展趨勢和氮化鎵(GaN)功率器件在高功率、小型化需求下的巨大市場前景,然後從器件性能、可靠性和解決方案三個方面表明氮化鎵系統 (氮化镓系统 (GaN Systems)) 公司爲終端客戶提供更低成本、更高可靠性和更完整的氮化鎵功率器件產品及系統解決方案。 1. 市場前景 2020年是消費類充電器特別是快充市場快速發展的重要年份,隨著市場不斷成熟和趨勢日益明確,消費者對小尺寸和大功率快速充電器需求越來越大,市場前景巨大。其中兩個重要技術指標就是高功率密度和高效能。高功率密度體現在同一額定功率下的小體積,而高效能體現在節能環保和更低的工作溫度上。氮化鎵器件由於具有極高的開關速度、同一晶圓下的小通態電阻,使得更高效能和更高開關頻率快速充電成爲可能。2020年内置氮化鎵器件的快充技術進入快速發展階段,根據行業調查顯示,作爲消費類電子風向標的手機行業中,目前已經有華爲,小米,OPPO等多個知名品牌推出了基於氮化鎵快充產品。電商方面,更有多達20家品牌先後推出氮化鎵基快充產品。 圖一總結了兩個主要功率段下充電器的主要電路和功率密度以及效能指標要求。對於75W以下(30W-65W)充電器,目前主要電路為單端准諧振(Quasi-Resonant, QR)反激或有源箝位反激(Active Clamp Flyback, ACF)兩種電路。最高效能指標要求接近94%,功率密度要求20W/in3。高於75W(100W-300W)充電器,目前基本采用兩級電路方案,前級是功率因數校正電路(PFC)后級為LLC諧振或其他隔离DC/DC電路。目標最高效能要求達到95%,功率密度要達到22W/in3以上。與傳統矽(Si)基功率器件相比,新材料的氮化鎵器件具有更高的性能,為充電器特別是快充產品的小型化和高效能帶來可能。   2. 氮化鎵器件與矽基器件的比較 氮化鎵器件由於其寬禁帶特點,它的主要優勢在於高開關速度和低開關損耗上,另外對於同一晶圓大小的功率器件,氮化鎵功率器件具有低於矽基器件的通態電阻。系統層面可以帶來更高效能,更低工作溫度和更小體積,因此非常適用於小體積、高功率密度的充電器產品設計。表一總結了已量產的氮化鎵功率器件與目前市場上最優的矽基MOSFET的比較。可以看到,氮化鎵器件在具有較低的通態電阻下,同時兼具更低的驅動電荷Qg、漏柵極電荷Qgd和輸出能量Eoss,使得高頻率高效能成爲可能。 圖二是典型的准諧振(QR)反激電路拓撲,由於它的低成本和較高可靠性,多用於充電器電路中。在該電路中爲了提高充電器的功率密度,一個直接的方法就是增大開關頻率來降低變壓器等元件的尺寸。然而提高開關頻率以後必然帶來額外的器件開關損耗和溫升。QR反激電路主要有兩個與開關頻率相關的損耗,頻率越高相應損耗越大: 在功率器件關斷瞬間原邊電流達到峰值電流,功率器件在硬關斷過程關閉,存在電壓電流交曡的關斷損耗。它可以由器件驅動電荷Qg和漏柵極電荷Qgd參數來評價。 在器件開通時刻,由於此時電流基本為零,因此不存在開通電壓電流交曡開關損耗,但QR反激電路在高壓交流電壓輸入(230Vac)條件下器件開通瞬間漏源極電壓並不為零,所以存在由於内部寄生電容放電產生的放電損耗。它可以由寄生電容對應的輸出能量Eoss參數來評價。 評價一個功率器件特性重要指標是品質因數(Figure Of Merit,FOM),它綜合評估器件的通態和開關特性,越小的FOM代表越優的器件性能。其中 Input FOM表明了器件在同等通態電阻下器件的開關過程中電壓電流交曡損耗,它是硬開關電路評估器件的最重要指標,例如QR反激電路的關斷損耗就可以用這個指標來比較。如圖三所示,在相近通態電阻(50-60毫歐)條件下,氮化鎵器件的漏柵極電荷Qgd僅爲矽基器件的6%,導致開關過程中氮化鎵器件電壓電流交曡損耗遠小於矽基器件,約爲矽基器件的五分之一。 QR Flyback FOM表明QR反激電路中在同等通態電阻下器件在200V下寄生電容產生的放電損耗,這裏電壓條件為200V是因爲,當輸入交流電壓為高壓230Vac條件下,QR反激電路功率器件漏源極電壓約爲200V條件下開通,將在此條件下產生寄生電容影響的開通損耗。圖四可以看到,在相近的通態電阻下,氮化鎵器件的Eoss僅爲矽基器件的60%左右,導致開通電容放電損耗遠低於業界最好的矽基器件。 因此總結表一和上面分析:氮化鎵器件在各方面器件性能上均優於矽基MOSFET器件,適用於高頻化高效應用,實現最佳性能。   3. 氮化鎵產品及可靠性 作爲一位研發工程師,在研發充電器產品時主要關注以下三個方面:第一是產品的可靠性,代表器件在產品壽命中具有高的可靠性和低的失效率,滿足產品的設計壽命;第二是低成本,除了器件自身成本以外,還需要考慮整體的BOM成本和生產成本;第三是產品能夠快速推向市場,縮短產品設計周期。 氮化镓系统 (GaN Systems)一直致力於優秀氮化鎵功率器件的研發和生產。目前已經擁有業界最全產品覆蓋範圍,最高工作電流和最優封裝的氮化鎵產品綫。其中針對快充市場推出了650V 5×6毫米 PDFN封裝的氮化鎵器件,通態電阻從150毫歐(GS-065-011-1-L)到450毫歐(GS-065-004-1-L),它可以用於30W到300W的充電器產品中。 在可靠性方面,氮化镓系统 (GaN Systems)嚴格按照超過JEDEC標準的產品認證流程,表二給出了部分測試高於JEDEC標準的測試項目和延長測試時間的倍數,同時基於氮化鎵器件自身特性還增加了多個額外可靠性測試項目,比如高溫開關動態壽命測試。這樣可以保證氮化鎵產品的可靠性和長工作壽命。圖五比較了氮化镓系统 (GaN Systems)氮化鎵器件與同類氮化鎵器件在准諧振(QR)和有源箝位反激(ACF)兩種電路的失效率,該失效率數據是居於業界通用方法,在實測高溫高壓數據下通過韋伯圖(Weibull Plot)得到相關加速因子,進而預測出在實際產品工作壽命下的失效率。可以得出結論     4. 帶EZDrive電平轉換電路的氮化鎵驅動方案 對於增强型氮化鎵器件驅動,開通推薦電壓為6V左右,關斷推薦電壓可以為0V到-10V,而傳統的帶驅動的充電器控制IC輸出驅動電壓一般為12V,因此爲了和控制IC的驅動電壓配合,需要進行驅動電壓的電平轉換。爲此氮化镓系统 (GaN Systems)提出了低成本的EZDrive電平轉換電路,如下圖所示,通過簡單的四個小分離元件(RUD, CUD, ZDUD1和ZDUD2)實現了驅動電壓的轉換,采用該電路后氮化鎵器件驅動實測波形VGS沒有任何過冲和干擾振蕩。 采用EZDrive電平轉換電路配合氮化鎵器件驅動的另一個優勢在於其驅動電阻Ron和Roff外置,如圖七所示,可以通過驅動電阻來控制漏源極驅動電壓斜率dv/dt進而優化EMI設計。和其他單晶片集成驅動GaN方案相比,氮化鎵器件加上EZDrive電平轉換電路具有更強的靈活性,並充分利用控制IC内部集成的驅動實現了低成本驅動氮化鎵器件,同時由於驅動電阻外置,可以控制開關dv/dt斜率進而優化電磁干擾(EMI)設計。…

基于 GaN 的高频 LLC 谐振变换器的设计考量

本文针对高频 LLC 谐振拓扑将氮化镓(GaN)功率器件与硅基超结 MOSFET(Si SJMOS)和碳化硅 MOSFET(SiC MOS)进行对比,评估了 GaN 功率器件在性能上的优势。文章首先比较了实现高效率和高功率密度 LLC 谐振变换器的关键器件参数。然后,对基于 GaN,Si 和 SiC 的 3KW LLC 的损耗和效率进行分析,最后定量得出结论:基于 GaN 的 LLC 具有明显性能优势, GaN 功率器件对于实现高密度和高效率 LLC谐振变换器具有重要的价值。 作者:加拿大 氮化镓系统 (GaN Systems), 刘学超 介绍 伴随着更高功率密度,更小尺寸和更高效率的明显趋势,高频 LLC 谐振变换器是工业隔离 DC / DC 拓扑的极佳解决方案,例如笔记本适配器(> 75W),1KW-3KW 数据中心电源和车载充电器(OBC)等。图 1 以半桥 LLC 谐振变换器拓扑电路为例,其开关频率分别为 100KHz 和 500KHz。在 500KHz 频率条件下,无源谐振元件(变压器,谐振电感器和谐振电容器)的尺寸大大减小,提高了功率密度。然而在高频条件下,需要考虑功率器件(Q1 和 Q2)的选型,以权衡效率和功率密度。 当前,GaN 功率器件技术已在市场上确立了成熟的地位和强劲的未来发展势头,尽管在硬开关应用中使用 GaN 可以显着提高效率,但在软开关拓扑中通常研究对比较少,文章将对基于…

基于氮化镓的高频图腾柱 PFC 优化设计

氮化镓功率晶体管可提高电力电子系统的功率密度和效率。本文针对无桥图腾柱PFC 提出了开关频 率和滤波器相关设计指南,以验证氮化镓功率器件在系统级的优势。 作者:加拿大氮化镓系统 (GaN Systems) 公司 刘学超(Jimmy Liu),Paul Wiener 引言 众所周知,氮化镓功率器件为电力电子系统提高频率运行,实现高功率密度和高效率带来可能。然而,在高频下需要对EMI 性能进行评估以满足EMC 法规(例 EN55022 B 类标准)要求。为了达到此目标,本文提出了针对连续电流模式无桥图腾柱功率 因数校正电路(PFC)的EMI 滤波器设计流程。针对功率密度 增加带来的效率影响,将导致功率密度和效率之间的权衡,本文将氮化镓基无桥图腾柱PFC 与传统硅基PFC 进行了数据对比,并提出了采用基于氮化镓器件的图腾柱PFC 最佳范围来权衡功率密度和效率。 EMI 建模和滤波器设计 如图1 所示是单相无桥图腾柱PFC 的基本原理图。为了满足EMI 标准,在拓扑结构和交流电源之间需要添加EMI 滤波器,以衰减高速开关过程产生的噪声。文献[1] 已经对该拓扑进行了详细讨论。与传统的升压PFC 相比,由于省略了桥式二极管导通损耗,图腾柱PFC 系统的设计效率非常高。其中蓝色晶体管代表高速桥臂,一般采用宽禁带器件(例如GaN 功率器件)。主要原因是氮化镓器件具有零反向恢复(Qrr = 0),使得在高频换流过程中高频桥臂的开关损耗大大降低,所以可以采用连续电流模式对图腾柱PFC 进行设计,满足中大功率变换的需求。除了显着降低开关损耗外,氮化镓器件的零反向恢复还大大减少由高频换流di / dt 引起的EMI 噪声产生,特别是对于辐射噪声,可以参考文献[2]。本文下一部分将重点讨论高频连续电流模式图腾柱PFC 传导噪声的EMI 建模方法。   如图2 所示,EMI 噪声是通过连接在交流电源和被测设备(DUT)之间的线路阻抗稳定网络(LISN)进行测量。 EMI 测试接收器连接到LISN 的输出,以便与标准定义的限定值进行比较。该LISN 实际上相当于一个高通滤波器功能,目的是将高频噪声电流捕获到RC(0.1μF +50Ω)测试路径中被测设备产生的EMI 噪声可以由EMI 测试接收器通过50Ω 电阻测量。同时,LISN…

2020年 电力技术趋势

氮化镓系统 (GaN Systems)展望2020年与电力电子相关的改变游戏规则的技术 在过去的几十年里,“电力”这个主题一直被视为一种挑战,其主要集中在渐进式的改进上——无论是通过技术、政府法规,还是通过改变消费者的行为。 数据和能源是公认的全球经济增长的动力。 而且两者的需求都以前所未有的水平增长。 全球数百万个数据中心每天产生2.5亿个字节的数据,而在仅五到七年的时间里,预计其数据将以5倍的速度增长,这使数据消耗达到了前所未有的高度。 这些数据中心每年要消耗天文数字般的416太瓦/小时,以跟上这一需求。 在过去十年中,全球电力需求增长了近三分之一。 业内分析师预测,到2050年,全球电力需求将增长57%。 如今,对电力行业逐渐增加的依赖性使得能源效率已成为一项战略举措,例如数据中心,电动汽车,可再生能源系统,工业电机和消费类电子产品。 企业如何选择产生,存储,交付和使用电力,将成为2020年全球变化的重要动力。 在过去的一年中,在与企业领导者的对话中,我们对于氮化镓系统 (GaN Systems)比以往任何时候都更加确信,昔日的硅已经达到了解决关键电源系统挑战的极限。 GaN(氮化镓)技术是无可争议的清晰解决方案,可用于推动更强劲的增长和产品创新,并使公司能够加强对话并更深入地参与可持续发展计划。 随着年末的临近,GaN功率半导体的全球领导者氮化镓系统 (GaN Systems)揭示了2020年的四个趋势,我们认为这将对世界的功率和能源足迹产生重大影响。 趋势一: 电动汽车 在2019年,越来越明显的是,不久的将来交通运输将围绕电动汽车发展,从长远来看也将围绕电动汽车发展。 如今,全球道路上有510万辆电动汽车。 考虑到作为“燃料”电动汽车所需的电量。到2035年,预计将有1.25亿辆电动汽车上路。这将对全球能源网造成巨大不利影响。充电器和牵引逆变器的设计演变将在2020年在汽车设计工作室中扮演重要角色,然后在随后的几年中推向公共道路。 为了解决长期存在的“范围焦虑”问题,公共充电站的数量将继续增加,并将越来越关注太阳能和插头标准化。 电动汽车: 电动汽车的需求将继续以燃油效率压力和续驶里程为消费者需求的中心。 大型汽车制造商的设计将着重于提高效率,功率密度和减轻重量,着重于充电器和牵引逆变器。 电池技术将继续改进,然后与重量更轻的车辆相结合,将有助于增加车辆续航里程和消费者接受度。

“氮化镓系统 (GaN Systems) Cup” Competition Winners Honored at China Power Supply Society Awards Ceremony

OTTAWA, Ontario, November 5, 2019 – 氮化镓系统 (GaN Systems), the global leader in GaN power semiconductors, alongside the China Power Supply Society (CPSS), China Power Society Science Popularization Committee, and Tsinghua University, today announced the winners of the fifth annual “氮化镓系统 (GaN Systems) Cup” design competition at an awards ceremony at the China Power Supply…

氮化镓系统 (GaN Systems) is featured in EE Times

文章: 氮化镓正在推动功率半导体的发展

This article was originally published on www.eetimes.com on September 24, 2019, written by Maurizio Di Paolo Emilio. 氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)功率半导体器件正逐渐取代硅基器件,这主要是因为使用GaN或SiC功率晶体管可以带来更直接、更高效的储能解决方案。预计到2025年,GaN和SiC市场的总价值将超过30亿美元,并将在可再生能源和电动汽车的推动下大幅增长。我们生活在一个越来越多的数据中心、电动汽车、工业发动机蔓延的世界里。每个人都需要改善他们的能源使用情况。 实际上,由于使用了氮化镓,因此可以制造出比硅基电源效率更高的电源,能够用更少的元件提供更高的电流,从而大大缩小了装载机的体积。 我们采访了氮化镓系统 (GaN Systems)公司战略营销副总裁Paul Wiener,就GaN的挑战和未来的发展进行了采访。氮化镓系统 (GaN Systems)公司在汽车领域等多个工业领域提供各种解决方案。 EE Times:GaN技术可能是当今和未来各种应用中无可争议的明确解决方案。尤其是与其他宽带隙材料相比,GaN的重要性不可比拟。您对GaN技术的应用对市场的发展有何期待? Wiener: 各个市场的电力需求都在增加,预计全球对电力的需求将从现在的2.5万TWh增加到2050年的3.8万TWh。在行业层面,全球800万个数据中心的能源使用量占全球能源使用量的2-3%,预计这一比例将上升到5%以上。工业电机的能耗占30%,而且还在不断增长,到2040年,电动汽车将成为全球能源消费的大户,占全球能源消费的5%。氮化镓可以减少所有这些系统的损耗。 GaN在推动功率半导体的创新方面具有重要意义。GaN正在满足新的器件要求,即更高的功率和性能、更高的效率和更小的尺寸。 与SiC等宽带隙半导体相比,GaN在成本和材料的可得性、性能以及中低电压要求的设计机会等方面,都提供了更有利的效果。 与SiC相比,使用GaN构建的系统具有更大的功率密度改进。其栅极电荷低、反向恢复为零、输出电容平坦等优点都能带来高质量的开关性能。随着时间的推移,可以轻松预测GaN价格与硅竞争,特别是由于GaN是在硅片上生产的。 现在,我们看到了GaN引领的下一次电源革新。几年前,GaN还停留在大学的研究实验室里,而如今,像Denso、Sonnen和Supermicro这样的知名公司已经描述了GaN功率半导体如何改善他们的系统。许多公司已经在其生产的产品中利用了GaN的优势。同时,GaN生态系统也更加强大。驱动器和磁性件,以及对如何使用它们的理解变得更加清晰可见。 EE Times: 您认为未来有哪些挑战会影响到电力解决方案,您计划如何发展您的成套产品以应对这些挑战? Wiener: 虽然GaN供电的器件已经开始商业化,但使用这些电压的产品创新空间还很大。因此,100V和650V的GaN器件正在服务于电力系统的当前和近期的需求。 同时,我们还需要不断地追求更高效、更小以及更低的成本。这需要我们不断创新产品设计和封装技术。此外,该生态系统将创造出控制器和磁控器,以利用GaN性能不断提高的优势。 EE Times: 热管理在电力应用中的重要性有多大?能举个例子吗? Wiener: 热管理是非常重要的。高功率系统中的高效率一直是重点。客户都希望GaN能够帮助他们。例如,在基于硅MOSFET的20kW系统中,95%的效率意味着1000W作为热量被浪费掉,而不是作为功率被利用。而采用GaN后,损耗可以减少50%,从而降低了管理热量所需的成本和面积。 我们通过各种方法来解决这个问题。首先,我们为我们的芯片设计了嵌入式封装,通过有效地将热量从器件中抽出,实现了输出功率的最大化。我们还为我们的器件开发了IMS(绝缘金属基板)系统,以进一步管理高功率应用中的热敏电阻。最后,对于我们的最高电流的器件,包括最近发布的150A器件,这部分是作为芯片产品销售的,这样电源模块公司就可以直接将其封装到他们的模块产品中,以最大限度地进行热管理。 EE Times:电动汽车被认为是一种绿色技术。GaN系统在这个应用中的参与度有多高,你们在改进技术方面做了哪些工作,比如说提高电池电源管理的效率? Wiener: 氮化镓系统 (GaN Systems)公司在电动汽车和自动驾驶汽车市场上有大量的应用。应用领域包括车载电池充电器(OBC)、DC/DC转换器和牵引式逆变器。在所有这些应用中,客户都表现出尺寸和重量都在3-5倍的范围内减小,运行效率提高了几个百分点。最有趣的是,与硅相比,GaN的系统成本通常不会比硅高。这些改进为电动汽车公司提供了几个好处,包括更长的续航里程的车辆;更小的、更低的成本电池;由于系统更小,也许是风冷而不是水冷,优化的系统在车内的布局也是一个新的设计自由度(图2)。   See this article…

文章:“ GaN Systems可以寻求子组件装配战略合作伙伴关系”

本文最初发表于Acuris.com 首席执行官表示,GaN Systems可以寻求子组件装配战略合作伙伴。 总部位于加拿大渥太华的氮化镓能源系统公司GaN Systems可能寻求合作伙伴或资本,以扩大其制造子级组件的能力。 Witham拒绝透露财务数据,但据一份行业报告称,该公司是氮化镓晶体管出货量的市场领导者,整体市场规模为100亿美元。 他说,晶体管已在多个市场中使用,该公司的目标是五种应用:消费性设备充电器,数据中心,可再生能源,工业用电机和电动汽车。

Using MOSFET Controllers to Drive GaN E-HEMTs

本文最初发表于Bodo的Power Systems 2019年8月号,作者是高级电力电子应用工程师Qiya Yau Qi和GaN Systems应用工程经理Lujuncheng(Lucas)Lu。这里提供一小部分摘要,其余的部分,包括相关的图形和表格,可以通过下载下面的PDF来阅读。       在氮化镓(GaN)之前,硅(Si)MOSFET几十年来一直是适配器应用中功率的标准。结果,市场上许多现有的控制器,包括功率因数校正(PFC)和DC-DC控制器,已经将硅驱动器集成到控制器芯片中。这些控制器已被证明是一种经济高效的完整解决方案。但是,Si MOSFET的劣质因数(FOM)限制了控制器的高开关频率性能,无法满足现代电源系统至关重要的高功率密度要求。 GaN功率晶体管已经证明了其与Si MOSFET相比在高频性能方面的优势,并且继续取得重大进步,包括改善驱动功率晶体管的简易性。增强模式GaN(E-HEMT)由栅极和源极之间的正电压驱动,类似于N沟道Si MOSFET,为驱动器件提供了熟悉的解决方案。 GaN Systems提供了一种解决方案,可轻松使用MOSFET控制器12 V输出电压来驱动GaN 7 V栅极输入,而无需外部或集成的附加驱动器……。  

Video: “Tech it Up” with Jessica Ly Interviews Paul Wiener for 氮化镓系统 (GaN Systems)

What are GaN transistors and how can they help the planet by letting industries be more energy efficient? Jessica Ly finds out in this episode with Paul Wiener, VP Strategic Marketing for 氮化镓系统 (GaN Systems).   This video appears on the Regalix Inc YouTube channel. 

Article: “The Rise of GaN-Based Power Systems—Part II”

The second of a three-part series on The Rise of GaN-Based Power Systems: Technology and Market Overview by Paul Wiener, VP Strategic Marketing, 氮化镓系统 (GaN Systems) To read the original article in Power Electronics World, click here. Part 1 of this series exploring gallium nitride (GaN) power devices provided a brief overview of GaN technology…