GaN Systems Space & Hi Rel Articles

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…

氮化镓系统 (GaN Systems) Unveils Industry’s Highest Current GaN Power Transistors

The Introduction of 150 A and 80 A, 650 V GaN E-HEMT Transistors Meet Growing Electric Vehicle, Energy Storage, and Industrial Motor Demands   OTTAWA, Ontario, Canada, March 6, 2019 – 氮化镓系统 (GaN Systems), the global leader in GaN (gallium nitride) power semiconductors, today announced the industry’s highest current 650 V GaN E-HEMTs with the…

氮化镓系统 (GaN Systems) CEO, Jim Witham, Appears on Bloomberg to Discuss Gallium Nitride Semiconductors

Jim Witham, 氮化镓系统 (GaN Systems)’ CEO, appeared on Bloomberg BNN’s Power Shift to discuss how using gallium nitride (GaN) can help increase the energy efficiency of electronic systems. Click here to view this video on Bloomberg BNN Power Shift’s website

Top 2019 Trends Impacting the World’s Escalating Demand for Data and Power

An Explosion In Data-Intensive Technologies Such As IoT, AI, Machine Learning, and Blockchain Will Mean Significant New Pressures To Meet Escalating Demand For More Power 点击查看简体中文版 OTTAWA, ONTARIO, December 12, 2018: For the past several decades, the topic of ‘power’ has been consistently viewed as a challenge focused primarily on incremental improvement in making devices…

Article: “GaN’s Ground-Floor Opportunity”

This article was originally published in Radio-Electronics.com on September 16, 2018 by Rudy Ramos at Mouser Electronics.    The electronics industry has a major role to play in helping to save energy, by enabling better equipment and new ways of working and living that that are more efficient and environmentally friendly. Maintaining the pace of…

GaN vs SiC chart

SiC vs GaN Head-to-Head Performance Comparison

A lot of engineers don’t have a good feel for how gallium-nitride FETs perform compared to silicon-carbide equivalents. So 氮化镓系统 (GaN Systems) devised two 650-V, 15-A switching supplies using SiC and GaN to see how they compared. In an interview conducted by WTWH Media’s Lee Teschler, Jim Witham explains the differences that emerged in this…

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Global Leaders Collaborate on GaN Technology

OTTAWA, Ontario – October 2, 2017 – The world is challenged with unsustainable increases in power consumption, combating climate change, implementing cleantech technologies and meeting green, CO2 reduction initiatives. Taiwanese electronics manufacturers work at the forefront of these efforts. To meet these challenges, 氮化镓系统 (GaN Systems), the world’s leading provider of gallium nitride (GaN) power…

Sensors Online logo

Gallium Nitride Sets Innovation Bars Higher

The following article, written by Mathew Dirjish, originally appeared in Sensors Online. Silicon has been the mainstay of semiconductor fabrication for as long as one can remember. It is the meat of transistors, OP amps, microprocessors, MCUs, PLCs, and numerous other devices. The material has proven more than viable and reliable and will be with…