本系列共分两部分,第一部分介绍了基于GaN的电力系统的兴起:技术和市场概述,作者:保罗·维纳, GaN系统战略营销副总裁

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在数据中心、电动汽车、可再生能源、工业发动机和消费电子产品等电力消耗越来越大的领域,高效的电力转换对于满足系统的需求至关重要。例如,工业发动机使用了世界上30%的电能。数据中心预计将消耗我们5%到10%的能源——随着物联网的应用和设备的增长,以及5G的到来,供电需求每天都在增加。

氮化镓(GaN)技术能够给电力电子市场带来的巨大好处正在一步步实现,特别是在上述行业。

本文是由多个部分组成的系列文章的第1部分,描述了GaN电力市场的增长和主要受影响的应用领域。本文简要介绍了氮化镓技术的基本原理,并描述了氮化镓- hemts与传统硅场效应晶体管的相似之处和优点。本文还提供了促进GaN设计快速应用的高级e – hemt的例子,而这些应用要求尽可能高的效率。
市场概况

Yole development的一份报告预测,未来五年,GaN能源市场的年复合增长率将达到79%,而到了2020年,其收入将达到4.6亿美元。据该分析公司称,最重要的收入将来自AC/DC和DC/DC电源市场(预计到2020年将达到2.5亿美元),其中很大一部分将用于数据中心电源。

GaN应用的其他关键领域包括电动汽车、混合动力汽车和无线电源。其他市场,包括太阳能(PV)、工业电机驱动、D类音频、UPS系统和消费电子产品,也推动了这一增长。

 

Yole通过不同市场对GaNg应用增长率的年度预测。

基本原理

GaN HEMTs功率晶体管的原始形式是耗尽模式(通常是开着的)器件。在电源开关应用中,d模式设备通常利用cascode配置来实现正常关机。由于GaN晶体管(本质上是多芯片模块)的cascode使用复杂,因而这类产品的市场接受度有限。

另一方面,E模式(增强模式)HEMTs在概念上与正常情况下的硅MOSFET相似。它们由三种终端设备组成,包括栅、漏极和源节点。类似于硅场效应管,一个正电压门和源之间HEMTs使排水和源终端之间的高电子迁移率路径(图2)。当门的高度等于或低于潜在来源,高电子迁移率的路径被中断,排水和源之间没有电流。此外,氮化镓器件的电荷,或者说栅电容,比硅MOSFET低一个数量级或更多,这使得驱动E-HEMT器件更加容易。.

用于驱动传统硅场效应晶体管的相同电路技术也可用于e型氮化硅场效应晶体管。换句话说,GaN器件的工作原理很像硅MOSFET,只是开关和电路性能要好得多。此外,GaN E-HEMT器件更接近于电力电子应用中的“理想开关”,因为它们不具有硅MOSFET自带的寄生体二极管。因此,不需要反并行二极管。

的发展

由于非常需要e型氮化镓优势,e型氮化镓HEMT技术如GaN系统e型氮化镓生产线得到了长足的发展。这些先进器件的优点包括比同类器件更稳健的栅极结构,没有直流保持电流,也没有复杂的栅极二极管PN结。它们的开关速度平均比市场上同类设备快四倍,关闭速度至少比市场上同类设备快两倍。通过在线性区域内花费更少的时间,大大提高了效率。此外,它们的低栅电容意味着驱动栅极消耗的能量更少。由此产生的能源节约适用于提高功率转换器效率的底线。

E-HEMT GaN设备不仅可以升级许多现有的拓扑结构,还可以实现传统选择无法实现的新应用。例如,在半桥式硬开关功率变换器电路中,e – hemt可以取代igbt,极大地改善了电路性能。此外,E-HEMT GaN器件能够实现MOSFET器件(如无桥图腾极拓扑结构)不可能做到的创新拓扑结构(图3)。由于QRR的限制,硅mosfts永远不能用于这些应用程序。.

图腾极拓扑可能与E-HEMT GaN产生显著的效率和规模提升。有利于电力系统的设计

正如人们经常观察到的那样,半导体的进步要么是工艺改进的结果,要么是包装改进的结果。在GaN系统的E-Mode器件中,这两个方面都很明显。为了提高E-HEMT GaN器件的优点,目前正在进行的工作包括嵌入式模具和先进的封装以及驱动程序和GaN开关的联合封装,以最小化寄生互连——提供功能模块等。

 

图腾极拓扑可能与E-HEMT GaN产生显著的效率和规模提升。

 

这样做的好处有很多:

  • 减少了热沉的需要——有机会使用PCB作为热沉——从而减少了重量、体积、成本、尺寸和组装成本,以及设备的复杂性
  • 增加输出功率和/或开关频率可减小磁性元件的尺寸,使其更小更轻
  • 更快的切换速度和转换速率意味着切换设备本身在线性区域花费的时间更少,从而降低了切换
  • 此外,由于宽带隙结构和更大的势垒结构,更高的操作温度是可能的。
  • 整体而言,低寄生和更低的电容,包括栅极电容,意味着更容易驱动和更低的栅极驱动损耗
  • 更高的击穿电压(由于整体的宽禁带结构)和更高的电流(由于更高的载流子密度和更高的电子迁移率)是可能的
  • 除了零恢复电荷在电路运行,消除寄生二极管意味着更好的电路运行和更少的外部组件需。

基于对象和事件驱动的客户端脚本语言:这些设备属性转化为体积和重量减少带来的好处——只有硅设计的四分之一,更低的系统成本和更高的效率——所有这些都降低了最终用户的总拥有成本。

行业路线图和市场趋势

减小尺寸和重量,同时提高性能(包括功率密度),是现在电力系统应用的要求。例如,在交通领域,一些汽车制造商已经宣布他们将在未来几年内停止使用内燃机。这意味着需要迅速建成电力运输系统的基础设施。此外,电动汽车快速充电站将需要极其高效的电力电子设备以及车载电力电子系统。

此外,对效率需求最大的将是服务器群和数据中心,它们正以惊人的速度建设,以满足大数据、物联网和一般互联网流量的通信和存储的巨大需求。除了节省能源,任何增加的功率密度和效率是特别令人垂涎的,因为它们直接转化为更低的公用事业成本。

很明显,电力电子市场的需求与GaN设备在并入电力电子系统时所显示的优势是相同的。