GaN Systems Power & Energy Articles

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…

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文章节选：适用于 5G FWA 应用的高效 65W WPT 系统

本文于 2020 年 11 月 20 日，在MWRF.com网站全文发表。  5G 的超高频率擅长快速传输大量数据，但信号不会穿墙。基于氮化镓的电力系统通过墙壁传输信号和电力来解决这个问题。 作者：施铁峰、保罗·维纳 随着 5G 网络逐渐铺开, 无线技术 变得更加复杂和无处不在。随着基础设施的广泛部署和技术在随后几年中的成熟，5G 将在更多的应用场景中发挥作用。 5G 覆盖范围除了受基站/中继器之间物理距离的影响外，还取决于环境。当信号被墙壁、水塔和其他射频传播障碍物中断时，5G 网络的覆盖范围将大受影响。此外，当前的 5G 系统比其他同类技术消耗更多功率。为确保使用寿命而精心设计的电源管理方案、物联网的成熟和无线充电无疑将共同为 5G 基础设施创造更多的技术创新。 近年来出现了诸如 AirFuel1 等基于磁共振的无线电力传输技术，利用其松散耦合的特性、更高的工作频率 (6.78 MHz) 以及在位置灵活性、大分离距离和多设备充电方面提供差异化​​的能力。 5G 网络的趋势可能会导致在非常高的频率下运行，例如具有大带宽的毫米波 (mmWave)，以适应不断增长的互联世界。对于这种固定无线接入 (FWA) 应用，网络室外单元 (ODU) 需要来自室内电源线和适配器的电源。这可以通过在住宅墙壁上钻孔以实现连通性来实现。然而，成本、法规和宗教习俗是阻碍这些系统在许多地区实现连接的问题。 请移步MWRF.com网站阅读本文的其余部分。    

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是什么在推动GaN半导体大众市场的吸引力？| 网络研讨会

关注GaN Systems 哔哩哔哩频道，观看更多视频内容。 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。

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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。…

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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…

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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…

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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。

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重要要点：第七届宽带隙能源器件和应用研讨会（WiPDA 2019）

 氮化镓系统 (GaN Systems) 总监Peter A.Di Maso 很高兴出席近日在北卡罗来纳州立大学校园举行的 WiPDA 会议。本周的会议以JEDEC的JC-70宽带隙功率电子转换半导体委员会半年度会议开始。JEDEC是全球微电子行业开放标准制定的领导者，有3000多名志愿者代表近300家会员企业。 JC-70委员会刚刚庆祝其两周年成立纪念，并负责制定有关可靠性和鉴定程序，测试和测量方法以及数据表要素的行业准则。 该委员会的成员由众多带隙行业的领导者组成，他们以饱满的热情为我们做出了贡献，以确保我们不断进步。这促成了关于促进功率转换中采用GaN和SiC的热烈并有效的讨论。 我赞赏JC-70的志愿者。 第二天，我们举行了第七届IEEE宽带隙能源器件和应用研讨会（WiPDA 2019）全体会议。 我特别喜欢ABB公司研究部的. Sandeep Bala 博士关于使用氮化镓的全会发言。。Bala博士谈到了GaN的好处以及他和他的团队如何克服了一些挑战。 参加讨论GaN能源器件市场采用情况以及市场渗透的加速器和障碍的座谈会对我来说是一种荣幸。 与桑迪亚国家实验室（Sandia National Labs）的罗伯特·卡普拉（Robert Kaplar）组成一个多元化的小组，这是令人振奋的，研究人员正在研究宽带隙材料，这些材料将取代硅成为能源半导体行业的骨干力量，从而有效地打破了壁垒。 JC-70.1 GaN小组委员会联合主席Tim MacDonald强调，用户处于学习曲线上，而JC-70.1正在帮助加快这一曲线。 此外，来自德州仪器（Sandeep Bahl）和英飞凌科技（Alain Charles）的代表也参加了小组讨论。 此外，我非常荣幸在会议的最后一天有机会主持有关GaN应用的会议，并展示了里昂大学和阿肯色大学等大学的充满智慧的论文。 最后，我介绍了GaN Systems的Lei Kou博士关于GaN在低频应用中的优势的论文。 总而言之, 毫不夸张地说GaN已经成为新的能源电子设计的主流。它不仅是处于发展讨论的最前沿。 工程师了解性能优势，而管理层则了解经济利益，了解使用GaN的好处。

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文章:关于MOSFET体二极管的常见误解

设计宽带半导体功率电路的工程师经常会犯与晶体管开关特性有关的代价高昂的错误。 本文作者朱利安•斯泰尔斯(Julian Styles)是氮化镓系统 (GaN Systems)美洲地区销售与市场总监   在电力电子的世界里，我们需要面对关于我们自己的一个尴尬事实。所以我想请你们在短时间内试着完全开放自我，坦诚相见。 你们对体二极管有误解吗? 许多工程师误解了二极管。关于这种困惑是如何开始的，我们都有类似的故事。 MOSFETs有一个非常有用的性质;也就是说，当VGS=0时，它们仍然反向传导。它们这样做是因为它们在源极和漏极之间有一个寄生二极管，叫做本征体二极管。在学习电力电子学时，我们都发现MOSFET可以反向传导(因为它们有一个体二极管)，而IGBT不能(因为它们没有)。因为“反向电流路径与门关闭”有点拗口，我们都习惯把这种效果称为“身体二极管”。几十年来，一切都很好。然后新的宽带隙器件出现了。由于它们的结构，有些没有寄生二极管。但它们仍然具有与MOSFET相同的有用特性:当VGS=0时，它们反向传导。最值得我们注意的是，GaN – hemts具有这种特性。 于是就产生了迷惑。 我和我的同事们已经和工程师们开过很多很多次会议，他们认为，由于GaN设备没有体二极管，所以它们不会反向传导。我们有过无数类似的对话: 工程师：“所以GaN设备没有体二极管？” 我：“是的。” 工程师：“所以他们不能在没有VGS的情况下进行反向指挥？所以我需要加一个反平行二极管？” 我：“不对。” 工程师的头爆炸了。 现在是时候更新我们的术语了，这样我们就可以准确地引用反向传导路径，理解为什么体二极管不是这个特性所必需的，甚至可以理解GaN器件没有体二极管给世界带来的好处。 到底发生了什么 在GaN E-HEMTs中，在藻类/GaN异质外延结构上形成的横向二维电子气体(2DEG)通道提供了极高的电荷密度和迁移率。对于增强模式的操作，栅极以0伏或负偏压从本质上耗尽栅极下面的2度。正极栅偏置将电子吸引到耗尽区，并打开2DEG通道。在正向传导(第一象限)中，这种行为与MOSFET的工作原理非常相似，但具有更好的开关性能。 在第三象限((VGS =0, VDS为负值)，设备的行为与MOSFET不同。简而言之，漏极上的负偏置在器件通道中产生了电压梯度。这进而导致栅极下的耗尽区相对于栅极具有负电位。换句话说，GaN HEMT的排水将作为源，源将作为排水。一旦栅极和通道之间的电位差超过了器件的阈值电压(VTH_GD)，器件就会打开，这种效应有时被称为“自换相”。因为这个装置是传导电流的，所以I，通过它的(电阻)通道，Ron，电压降D是D = VTH_GD + IRon。 如果器件以负电压关断，则自换相发生前漏极必须更负，总电压降DT为 现在是忏悔时间。GaN设备制造商推动延续我们对反向传导路径的误解 多年来，GaN制造商采用了两种主要方法来解释他们的设备在反向偏置VGS=0时的行为。首先，一些制造商只是一直使用“体二极管”这个术语。他们解释说，GaN设备有一个神奇的身体二极管，QRR (反向恢复电荷)为零，电压降高得惊人。这不是真的，而是虚构出来的，这样做的目的是使得设计师大部分时间内设计出的电路是成功。 第二，一些制造商会发布有关设备表现的详细文档，期望工程师会仔细阅读手册,意识到潜在的错误,在思考技术时改变思维方式。这是很好很诚实的方法。然而总的来说，工程师也是人，很难改变根深蒂固的习惯。 如您所料，这些方法导致了混乱的结果。直到今天，GaN系统的现场应用工程师看到的客户设计示意图仍显示我们的设备添加了反平行二极管以提供一个自由的电流路径。 无体二极管的优点 遗憾的是，这种对GaN设备缺乏体二极管的误解一直存在。毕竟，没有体二极管的反向传导确实是有一些真正的好处。 首先，没有体二极管意味着没有QRR，使得GaN适合于半桥硬开关。反过来，这意味着没有额外的硬整流由于二极管反向恢复，否则会导致更高的开关损耗。GaN的零反向恢复还可以实现新的高效拓扑结构，如无桥式图腾柱PFC(功率因数控制)。 第二，没有体二极管意味着当体二极管打开时没有二极管噪声的爆发。这使得EMI设计更简单，性能也更好。在功率转换和信号处理都在同一个小PCB上的紧凑设计中尤其有用。 最后，dv/dt限制和可靠性也有好处。高的dv/dt导致了MOSFET体二极管的失效。当体二极管处于反向恢复时，其漏源极电压升高。这种行为会导致内部寄生的NPN双极晶体管的错误启动，从而破坏MOSFET。 没有体二极管确实只有一个缺点:较高的反向电压降。GaN E-HEMT的反向电压降包括由通道电阻和阈值电压产生的电阻元件。当传导大电流时，650伏GaN – hemt的电压降可达3v，大于MOSFET的等效电压降。这种更高的反向电压降有可能通过增加典型的半桥电路的停滞时间来降低效率。 幸运的是，这些损失可以通过缩短停滞时间来减少。GaN – hemts的快速切换行为通常简化了缩短停滞时间的任务。此外，用于GaN设备的嵌入式包(如GaN 系统 GaNPx包)具有较低的寄生电感，这确保了可靠的切换过渡和较短的停滞时间。 一般来说，GaN电路实现的效率增益来自于缩短停滞时间，远远大于更高的反向电压降带来的损失。随着新一代驱动程序和控制器越来越多地支持更短的停滞时间，实现这种效率增益就更容易了。 值得注意的是，短暂的停滞时间也有其他好处。例如，在D类音频放大器中，较短的停滞时间带来较低的谐波失真和较高的音频质量。 那些想要摆脱“极体扭曲错误”的污名，并创造出高效低成本的优化设计的人来说可找到很多帮助。我们总能设计出印有“我没有身体(二极管)”和“问我关于反向传导的问题”等标语的t恤。好了不开玩笑。至少在下一次电力设备的进化触发一套新的定义之前，更好地理解体二极管和清楚解释GaN设备如何运作有助于消除困惑。  …

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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…

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