GaN Systems Power & Energy Articles

GaN Systems 推出性能更高、成本更低的全新晶体管

GaN Systems 是氮化镓功率半导体的全球领导者,今天在业界最广泛的 氮化镓功率晶体管产品组合中又推出了两款新晶体管;该晶体管采用行业标准的 8×8 毫米 PDFN 封装。 GS-065-011-2-L 使用户能够降低 45W 至 150W 应用中每瓦功率的成本,而 GS-065-030-2-L 是市场上第一款使设计人员能够在高达 3,000W 功率水平的应用中发挥低成本氮化镓优势的产品。 这些新部件是 GaN Systems 公司低成本 氮化镓晶体管系列中的最新成员,它们使设计人员能够进一步提高在能效、热管理和功率密度方面的性能,并提高设计灵活性和成本效益,以满足消费者、工业领域和数据中心客户的新需求。 这些新型晶体管具有更低的导通电阻、更高的稳健性和热性能、更高的 VDS(瞬态)额定值以及可简化客户采用、可扩展性和商业化的行业标准外形。 GS-065-011-2-L 是一款 650 V、11 A、150 mΩ 底部冷却晶体管,非常适合充电器和适配器等消费电子应用,这包括受益于晶体管更好的热性能的更高功率适配器的设计。 GS-065-030-2-L 是一款 650 V、30A、50 mΩ 底部冷却晶体管,具有 GaN Systems 的 PDFN 产品系列中最低的 RDS(on)。 更低的 RDS(on) 意味着更低的功率损耗和更高的额定功率,从而带来更高的效率和功率密度。 GS-065-030-2-L GaN 晶体管非常适合数据中心、工业和 5G 应用,例如电信和服务器 SMPS、电机驱动、储能系统和无桥图腾柱 PFC 解决方案。…

氮化镓供电:彻底改变当今最耗电的行业

我们生活在一个日益由数据和能源驱动的世界中。 数据中心、电动汽车、可再生能源系统以及个人电子产品比以往任何时候都更加重要。 这些行业正在推动日益增长的能源需求。 同时,要解决二氧化碳排放量的快速增长问题,就需要行业以更高的能效运营。 多数公司都知道能源效率对于长期的可持续增长和成功至关重要。 功率转换中能量消耗是一个基本问题。 电力输入 机器 功率输出 能源浪费 全球能源消耗中有 20% 以上通过低效的功率转换以热的方式流失。 通过使用 氮化镓半导体,这种浪费的能源可以减少 50% 浪费 硅基半导体技术已有数十年历史,并且已经达到其极限。 这就是为什么氮化镓正在取代硅作为能源系统基本结构的原因。 与硅基的解决方案相比,氮化镓能够设计出更小、更轻、更节能的能源系统,同时降低系统成本。 更小 更轻 更高效 从数据中心机架上的嵌入式服务器电源到电动汽车中的牵引驱动和车载充电机。 氮化镓系统(GaN Systems)致力于通过实现更高效的电力电子设备来实现可持续的未来,从而创造一个具有更高水平适应性、包容性和环保的世界。 氮化镓系统(GaN Systems) 制造的氮化镓功率器件正在彻底改变当今高能耗的行业。

华尔街日报:镓正在改变我们日益电气化的世界

缩小手机充电器、为电动汽车供电并使 5G 成为可能的新型材料 Christopher Mims 的这篇专栏文章最初于 2021 年 7 月 17 日刊登在《华尔街日报》上,它探讨了氮化镓的用途和潜力。  如果您是在屏幕上阅读本文,那么很可能您其实是在盯着未来。 在大多数 LED 屏幕以及现在室内照明普遍使用的 LED 灯中存在着金属镓。 虽然它不像硅那样广为人知,但它正在接管硅曾经占据主导地位的许多领域——从天线到电源转换器和其他被称为“电力电子”的能量转换系统。 在此过程中,它实现了一系列令人惊讶的新技术,从更快充电的手机到更轻的电动汽车,再到支持我们使用的应用程序和服务的更节能的数据中心。 作为从岩石中提取铝的副产品,镓的熔点是如此之低,以至于当您将其握在手中时,它就会变成一种流动的银白色液体。 就其本身而言,它并不是非常有用。 但是将其与氮结合,制成氮化镓,它就成为具有宝贵特性的坚硬晶体。 它出现在许多自动驾驶汽车使用的激光传感器中、支持当今快速蜂窝无线网络的天线中,以及越来越多地出现在对提高可再生能源收集效率至关重要的电子产品中。 许多由氮化镓(也称为 GaN)制成的最具体的产品出现在电力电子领域。 目前,您可以购买带有足够电量的小型 USB-C 充电器来同时为您的笔记本电脑、手机和平板电脑供电,虽然它们并不比我们多年来使用的科技产品所附带的功率低得多的电源转换器大。 将一种电压转换为另一种电压的电力电子设备也在电动汽车的许多方面发挥关键作用。 芯片制造商 GaN Systems 的首席执行官 Jim Witham 表示,它们更小、更轻、更高效并且散发的热量更少,因此电动汽车充电后可以行驶更远。 他补充说,这些特点也使得从太阳能电池板等可再生能源中榨取更多的电力成为可能。 当电力转换频繁发生时,即使是很小的效率提高也会产生显著效果,例如在包括电池存储的可再生能源电网中。 虽然氮化镓看起来很神奇,它也面临着来自久经考验的硅和越来越多的新材料的竞争,这些新材料显示出彻底改变我们的电子产品的潜力。 尽管如此,氮化镓的用途仍在不断扩大。 GaN Systems 的有些客户尝试在数据中心使用其芯片,在那个使用场景中通过降低功耗和废热可以节省大量的电费。但是这些客户目前并没有公开承认使用该技术。 直到不久前,氮化镓 还只是实验室中的一个项目。 然后五角大楼产生了兴趣,他们在寻找新型电子设备来驱动下一代雷达和无线通信。 剑桥大学材料科学教授兼氮化镓中心主任雷切尔奥利弗说,从 2000 年左右开始,国防部高级研究机构 Darpa 的资助推动了扫除商业化障碍所需的实验。 除了在民用领域应用广泛,氮化镓 现在还出现在军用硬件中,用于从无线电干扰到导弹防御的所有领域,这一切都得益于其独特的特性。 与硅相比,氮化镓可以处理相对大量的电力。…

GaN 和年轻工程师的未来

第七届“GaN 系统杯”中国电源学会 (CPSS) 设计大赛 正在如火如荼进行中,凸显年轻工程师在世界未来的发展中扮演的重要角色,以及他们如何通过氮化镓创新为世界提供发展动力。多年来,参赛大学生们的热情、创造力和聪明才智总是让我们叹为观止。 本着竞赛精神,我们重点展示了去年黑龙江科技大学特等奖获得者和一等奖获得者之一华中科技大学团队的设计。这些团队展示了使用氮化镓系统公司的 650V GS66502B 晶体管 的双向 AC/DC 转换器的最佳性能和最高功率密度设计,该晶体管满足多项系统技术要求和参数,包括: 400W 额定输出功率 220VAC 输入电压和 300-400VDC 输出电压 满载时双向 94% 的效率 30W/cm3 功率密度 闭环控制 过流过压保护功能 在 25°C 自然冷却下连续运行 30 分钟 获奖设计 黑龙江科技大学团队采用前级图腾柱无桥PFC提高系统功率因数,降低输入电流THD,后级同步降压拓扑。 该设计允许在正向和反向工作模式之间自动切换。 亮点包括实现 96% 以上的双向效率和 41W/cm3 的功率密度,超出设计要求。 华中科技大学的设计采用前级图腾柱无桥PFC和后级双向非隔离Buck/Boost转换器,正向工作在Buck模式,反向工作在Boost模式。 拓扑很简单, 它只需要很少的开关器件,不需要变压器,减小了转换器的体积,可以实现更高的功率密度。 该设计实现了 85W/cm3 的功率密度。 借助氮化镓,电力电子工程师正在通过更高效、更小、更轻的封装设计改变世界,同时提供当今电力电子所需的高性能和可靠性。 这些创新设计为数据中心、电动汽车、可再生能源系统、工业电机和消费电子等依赖电力的行业的应用提供了极大的提升。

Wireless Charging Drones and Robots

Drones and Robots are used in a growing number of applications and those with wireless power have a big future in a $100B Industry

氮化镓系统公司秋季评论

当我们即将告别 2020 年的最后一个季度时,我脑海中浮现出三个词来形容 这刚刚过去的一年,它们是颠覆性,韧性和创新性。 Covid-19 大流行加速了 每个行业(从供应链到实验室运营)的前所未有的颠覆性浪潮。 每个公司都 必须做出反应,将重点放在增强韧性上,同时继续创新并将重要的新产品推 向市场。这在 氮化镓系统公司(GaN Systems)也得到体现,我们欣慰地看 到氮化镓晶体管的使用已从早期的小众产品跃升为被各行业接受的主流产品- 我相信这一转变将在 2021 年继续加速。 新产品,设计工具和参考设计 在过去的 90 天内,氮化镓系统公司(GaN Systems)推出了四个新的电源模 块评估套件: 100V 驱动器 GaN –集成式 DC / DC 功率级模块 650V 150A 半桥 IPM 650V 150A 全桥模块和驱动器 650V 300A 三相 GaN 电源模块和驱动器 以及面向汽车市场的下一代 650V 晶体管。 新模块的设计易于使用,并可以 在大功率应用中评估其性能,例如牵引逆变器,工业电机,储能系统,PV 逆 变器以及各种低功率板和砖式电源。 650V 晶体管是我们面向汽车市场的下 一代 650V,60A 晶体管系列中的第一款产品,旨在满足汽车可靠性标准,包 括…

是什么在推动GaN半导体大众市场的吸引力?| 网络研讨会

GaN是如何彻底改变有线和无线电源设备的 主持人:加拿大氮化镓系统公司战略营销副总裁Paul Wiener 先生 该网络研讨会涵盖了GaN功率半导体如何成为有线电源应用的首选电源解决方案,以及GaN如何在无线电源应用中实现同样的功能。 GaN晶体管的进步及其在市场中的采用,消除了与GaN相关的风险,成本和可靠性的一些误知。应用示例通过审查,以验证GaN的接受度和性能。然后,网络研讨会展示了GaN的高频性能优势和成熟度如何从根本上推动无线电力用例和应用。

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…