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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。…

氮化镓系统 (GaN Systems) named a Cool Vendor in the Gartner May 2020 Cool Vendors in Technology Innovation Through Power and Energy Electronics

OTTAWA, Ontario, May 28, 2020 – 氮化镓系统 (GaN Systems), the global leader in GaN (gallium nitride) power semiconductors, today announced the company has been recognized as a Cool Vendor in the May 2020 Cool Vendors in Technology Innovation Through Power and Energy Electronics report by Gartner, Inc, the world’s leading research and advisory company (Gartner…

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。

来自GaN系统和ON半导体公司的半桥评估委员会展示了GaN的下一个性能飞跃

新的解决方案极大地减少了系统尺寸、PCB足迹和材料清单(BOM)成本 加拿大安大略省渥太华和凤凰城,AZ, 11月4日2019 – GaN系统,, 全球领先的氮化镓功率半导体,和ON半导体, 世界领先的电力半导体ic的供应商,今天宣布高速网格状氮化镓子板氮化镓系统的650 V, 30 A GaN E-HEMTs和ON半导体的获奖获奖 NCP51820高速门驱动器评估板已经可以使用。 这个 评估板 是为现有的和新的PCB设计而开发的,让设计者轻松地评估现有半桥或全桥电源中的GaN。该套件在一个极小的25毫米x 25毫米的布局中减少了组件数量,最大限度地减少了PCB板空间。包括1+ MHz操作和200 V/ns的CMTI额定值在内的特点增加了功率密度,并且通过快速开关GaN功率晶体管提高了性能。 其优点包括显著降低电源损耗、重量、尺寸(在布局尺寸上最大可达80%)和系统成本(最大可节省60% BOM成本),在 AC-DC适配器, , 光伏逆变器, 能量存储系统, 和无桥图腾极拓扑等应用中表现理想。由两家公司正在开发的、基于GaN的电力系统是解决方案之一。 “GaN组件生态系统的扩展包括驱动电路,比如我们的NCP51820,消除了设计障碍,并利用了GaN E-HEMTs的众多优势,”ON 半导体的市场总监瑞恩·扎恩说。“随着人们对GaN越来越感兴趣,GaN的应用不断增加,我们期待与GaN系统继续合作,以支持和满足许多行业的新电力需求。” “与ON半导体合作开发的新评估板使得与GaN一起设计变得更容易、更节约成本——为更小、更轻、更高效的电力转换器打开了大门。” GaN系统公司全球业务发展高级总监查尔斯·贝利说,“这一合作标志着不仅用GaN设计的终端产品有创新,优化GaN使用的组件、设计工具和参考设计也有新的发展。” 请访问 www.gansystems.com 或 www.onsemi.com 了解更多信息和主要经销商。 ### 关于GaN系统 氮化镓系统 (GaN Systems)是全球GaN功率半导体的领导者,拥有最大的晶体管组合,能满足当今最苛刻行业的需求,包括数据中心服务器、可再生能源系统、汽车、工业发动机和消费电子产品。作为领先市场的革新者,GaN系统使设计更小、成本更低、效率更高的电力系统成为可能。该公司屡获殊荣的产品提供了系统设计的机会,不再受昨天的硅的限制。通过改变晶体管性能的规律,GaN系统帮助电力转换公司彻底改变他们的行业以及改变世界。更多信息请访问: www.gansystems.com 或 Facebook, Twitter 和 LinkedIn. 关于ON半导体 ON半导体纳斯达克:ON)推动节能创新,帮助客户减少使用全球能源。该公司是基于半导体的解决方案的领先供应商,提供了一个全面的产品组合,包括节能电源管理、模拟、传感器、逻辑、定时、连接、分立、SoC和定制设备。该公司的产品帮助工程师解决他们在汽车、通信、计算、消费、工业、医疗、航空和国防应用领域的独特设计挑战。 ON 半导体在北美、欧洲和亚太地区的重要市场上运营灵活可靠、世界级的供应链和质量项目,一个稳健的符合道德规范的项目,以及一个由制造设施、销售办事处和设计中心组成的网络。更多信息,请访问http://www.onsemi.com。

Article: GaN Transistor Technology to Wirelessly Charge Workplace Robots

This piece by Rob Coppinger was originally published at Electropages.com on September 18, 2019. Robots in the workplace can be wirelessly charged at a distance using Gallium Nitride transistor technology which can cope with the high energy levels needed. With more and more robots and autonomous vehicles in factories and other workplaces, recharging these machines…

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…

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…

Fifth Annual “氮化镓系统 (GaN Systems) Cup” China Power Supply Society Design Competition is Underway

OTTAWA, Ontario, Canada, May 28, 2019 – 氮化镓系统 (GaN Systems), the global leader in GaN (gallium nitride) power semiconductors, is sponsoring the distinguished China Power Supply Society (CPSS) design competition, now underway with a record-breaking 40 engineering teams entering the competition from leading universities throughout China. 氮化镓系统 (GaN Systems) recently participated in the kick-off ceremony at…

WiBotic and 氮化镓系统 (GaN Systems) Bring ‘True Autonomy’ to Mobility Era

Companies Partner To Deliver Industry-Leading High-Power Wireless Charging Solutions Readily Available To Customers High power wireless charging for autonomous robots is an essential component in Industry 4.0 and the promise is being realized today with innovative solutions from WiBotic, a provider of wireless charging and power optimization solutions for aerial, mobile, marine, and industrial robots.…

The Need for Wireless Charging Is Clear

By Paul Wiener, VP of Strategic Marketing for 氮化镓系统 (GaN Systems) Wireless charging, more generally referred to as wireless power transfer or wireless energy transmission, is on its way to becoming mainstream. Yet, developing products that feature the benefits users want has its challenges. Take the recent news from Apple announcing the cancellation of its…