GaN Systems Power & Energy Articles

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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Heavy industry is strong sector for GaN power semiconductors.

Listen: “Super Semiconductors” on the Energy Cast Podcast

This week 氮化镓系统 (GaN Systems)‘ CEO Jim Witham appeared on the Energy Cast Podcast, a program focused on exciting technology and energy advancements. Listen to it here or on the podcast app of your choice. I’ll admit, I didn’t really know the difference between microprocessor semiconductors (Intel/AMD) and the power semiconductors developed by this week’s…

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A World Without Wires

Smart mobile electronic devices have changed the way that we perceive and interact with the world around us. Electric cars, buses, scooters, and bikes are transforming the face of our urban transportation landscape. Autonomous robots in intelligent factories and aerial drones making deliveries are challenging past preconceptions about the ways that we create and distribute…

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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。

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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……。  

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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). 关注GaN Systems 哔哩哔哩频道，观看更多视频内容。   This video appears on the Regalix Inc YouTube channel. 

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