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用于多种电源应用的氮化镓晶体管

2020-03-30 11:13 来源:电源网编译 编辑:咩咩

硅功率MOSFET还没有跟上电力电子行业的发展变化,在这个行业中,效率、功率密度和更小的形式等因素是社区的主要需求。电力电子工业已经达到硅MOSFET的理论极限,现在需要转移到新的元素。氮化镓或氮化镓是一种高流动性的半导体电子半导体(HEMT),在满足新的应用方面被证明是一种真正的附加价值。

氮化镓晶体管比硅MOSFET快得多,也小得多。氮化镓的性能表明,效率和性能有了显著的提高,导致了一些新的应用,这是硅技术无法实现的。董事会空间是非常昂贵的。eGaN®FETs,来自EPC,以低电感、低电阻、低成本的LGA或BGA封装提供。此外,在硬开关和软开关应用方面,它们为设计人员提供了同类产品中最好的。

氮化镓场效应晶体管

GaN开关器件有两种不同的类型:增强模式(e-GaN)和cascode耗尽模式(d-GaN)。一个e-GaN作为一个普通的MOSFET工作,即使它有一个门到源的电压降低。它提供了一个更简单的封装,一个低电阻没有身体二极管与双向通道,表现像这样。

d-GaN晶体管通常是打开的,需要一个负电压。您可以通过将HEMT晶体管与低压硅MOSFET串联来克服这个问题,如图1所示。

用于多种电源应用的氮化镓晶体管

图1:e-GaN(左)和d-GaN(右)配置

相比之下,e-GaN晶体管通常是关闭的,并在施加正电压的情况下打开。与d-GaN不同,e-GaN设备不需要负的启动偏置:当栅极上的偏置为零时,设备被关闭,不传导任何电流。

e-GaN场效应晶体管的阈值低于硅场效应晶体管的阈值。这提供了一个非常低的门极-漏极电容(CGD)。它的低电容结构允许在兆赫频率的毫微秒内转换数百伏特。与CGD相比,栅源电容(CGS)是另一个较大的参数,这使得GaN FETs具有良好的抗dv/dt能力。电源开关器件的dV/dt灵敏度是由各种寄生电容和门驱动电路阻抗引起的。另一方面,门电荷Qg参数表示设备快速变化的能力,达到更高的dV/dT而开关损耗最小。e-GaN器件比MOSFET高10倍,而d-GaN器件比MOSFET高2 -5倍。

要确定电源开关的dV/dt灵敏度,可以使用一个名为Miller充电比(QGD/QGS1)的数值。一个米勒电荷比小于1将保证理论上的dV/dt免疫。栅极驱动电路布局是提高抗dV/dt能力的关键因素。

d-GaN晶体管具有低压硅场效应晶体管的栅极。因此,现有的商用MOSFET门驱动器可以很容易地操作d-GaN开关。d-GaN器件的一个不利的影响是由于硅场效应晶体管的点火电阻的增加而产生的较高的点火电阻。对于低电压(<200 V),这种增加是显著的。对于高电压(600 V),这种增加的电阻只能是总电阻的5%左右。

d-GaN晶体管增加了封装的复杂性。MOSFET器件与GaN HEMT之间的寄生电感和电容可能会在开关瞬态过程中造成延迟。在开关类型中,器件的反向导电特性是很重要的。在MOSFET中,体二极管的压降很低,其反向恢复非常缓慢,导致了显著的高开关损耗。

氮化镓器件没有反向体二极管,但由于其物理性质,可以反向导电。在反向传导的情况下,将有必要有空载时间。级联的d-GaN器件由于串联MOSFET中的低压硅而具有反向恢复能力。

用于多种电源应用的氮化镓晶体管

图2:ungan器件的寄生电容和电流

在硬开关变换器中,输出电荷在每次通电过渡时在场效应管中耗散。这种损耗与QOSS、总线电压和开关频率成正比。氮化镓场效应晶体管的QOSS明显低于硅场效应晶体管,降低了每个周期的输出电荷损耗,因此允许更高的频率(图2)。

为汽车和消费者提供解决方案

新兴的计算应用程序在更小的形式上需要更多的能力。除了扩大需求的服务器市场,一些最具挑战性的应用程序多用户游戏系统,自动汽车,和人工智能汽车系统越来越朝着48 V设备,由电子控制高能耗的增加功能和自动车辆的出现,从激光雷达等系统创建额外的要求,雷达、相机和能量分布系统上的超声波传感器。这些处理器是“高耗能的”,是汽车行业传统12v配电母线的额外负担。对于48v总线系统,GaN技术提高了效率,减小了系统规模,降低了系统成本。一个250 kHz GaN解决方案与两倍的频率允许减少35%的大小,导致减少电感器DCR损耗,以及削减系统成本约20%相比,MOSFET解决方案。氮化镓具有极高的电子迁移率和较低的温度系数,因此可以获得较低的QG和零QRR。最终的结果是一种能够以非常高的开关频率和低的准时率来管理任务的设备,这对那些以开机状态损耗为主的设备来说是有益的。

“高功率EPC eGaN®FETs在工作状态下提供更低的电阻,更低的电容,更高的电流和优异的热性能,这些功率转换器具有98%以上的效率。”这一家族的eGaN FETs一半电阻(RDS(on)),使高电流和高功率密度的应用。亚历克斯·利多博士说,他是EPC公司的首席执行官和联合创始人。

用于多种电源应用的氮化镓晶体管

图3:48v轻度混合系统的表示[来源:EPC]

与上一代相比,最新一代的eGaN FETs在改善高频功率转换应用中的开关性能方面的优点也减少了一半。将GaN的性能优势提高到30v可以用于为隔离电源、pc和服务器构建高功率DC/DC转换器、PoL转换器和同步整流器。

采用诸如EPC2045等eGaN®场效应晶体管,可以实现最小、最经济有效和最高效率的非隔离48v - 12v转换器,适用于高性能计算和电信应用。EPC2045的工作温度di -40至+150°C,热阻di 1.4°C/W。漏源极导通电阻为5.6 mΩ典型(图3和图4)。

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图4:效率vs电流[来源:EPC]

在消费市场,便携式解决方案正变得越来越“耗能”。考虑到笔记本电脑的体积很小,有时使用冷却解决方案,有时几乎为零,因此能够管理效率和热管理是非常重要的。对快速、高效充电器的需求引导市场向新的GaN解决方案发展(图5)。

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图5:EPC9148设备[来源:EPC]

激光雷达

当在激光雷达系统中打开激光时,eGaN®fet和集成电路是合乎逻辑的选择,因为fet可以被激活,产生具有极短脉冲宽度的高电流脉冲。短脉冲宽度导致更高的分辨率,更高的脉冲电流允许激光雷达系统看到更远。这两个特点,加上它们极小的体积,使GaN成为激光雷达的理想选择。

EPC提供各种开发板。EPC9144主要用于驱动高电流激光二极管,具有高电流脉冲,总脉冲宽度为1.2 ns,电流可达28a。该板是围绕15v EPC2216 eGaN®FET汽车认证AEC-Q101设计的。EPC9126和EPC9126HC开发板主要用于驱动高电流脉冲的激光二极管,总脉冲宽度低至5纳秒(峰值的10%)。它们采用100V EPC2212和EPC2001C增强模式(eGaN®)场效应晶体管(FET)设计,分别能够承受75 A和150 A的电流脉冲。(图6)。

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图6:EPC9144开发板[来源:EPC]

基于这一技术,赛普顿最先进的激光雷达解决方案Helius提供了先进的目标检测、跟踪和分类能力,为智能城市、交通基础设施、安全等领域提供了广泛的应用。它体现了三种前沿技术的空前融合:由Cepton的专利微动技术(MMT™)驱动的行业领先的3D激光雷达传感;最小数据负担和最易集成的边缘计算;以及用于实时分析的内置高级感知软件。

“激光雷达也已经成为一个非常重要的市场。它可能是最被认可的自动驾驶汽车解决方案。然而,一个增长更快的市场是短距离激光雷达,它被用于机器人,只需要看到几英尺,避免碰撞的无人机,和驾驶员的警觉性系统。短程激光雷达系统不像远程激光雷达系统需要那么多的电流,但看到短距离意味着你需要一个更快的脉冲。因为如果你测量的是一米以外的东西,这意味着返回信号将在几纳秒内返回。我们已经演示了脉冲宽度小于1.2纳秒的短程激光雷达系统。亚历克斯·利多说道。

无线供电

“无线能源已准备好融入我们的日常生活。亚历克斯·利多说。发射机可以放置在家具,墙壁,地板,以有效和经济的电力或充电我们的电子和电子设备在大面积和跨多个设备。无线能量传输的概念已经为人所知有一段时间了,准确的说是100多年前,可以追溯到特斯拉线圈的发明。无线能量传输的一个关键因素是效率:为了能够有效地定义系统,发电机传输的大部分能量必须到达接收设备。

磁共振技术是实现无所不在的关键——使大面积的传输成为可能,为定位接收设备提供空间自由,以及同时为多个设备供电的能力。

EPC提供了全方位的发射机和接收机参考设计,从单个设备充电到多个设备同时供电跨越一个大的表面积。GaN使得低频率(Qi)和高频率(空气燃料)标准的高效率更低的成本成为可能;单发射放大器解决方案,可以无线充电设备,无论使用的标准在接收设备。依赖Qi标准的无线充电系统通过感应耦合在100到300千赫的频率范围内运行。

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图7:EPC2037 -增强型功率晶体管

音频应用程序

D类音频系统的低功耗产生更少的热量,节省空间和印刷电路板的成本,并延长便携式系统的电池寿命。GaN fet提供高保真度D级音频放大器。然而,最近,随着具有更好物理性能的gan基高电子迁移率晶体管(HEMT)器件成为现实,D类放大器性能的飞跃近在咫尺。

eGaN®fet的低电阻和低电容提供了低瞬态互调失真(T-IMD)。快速的开关能力和零反向恢复电荷使更高的输出线性和低交叉失真为低总谐波失真(THD)。

“一流的D放大器是专为汽车设计的,因为他们想让汽车拥有更多的扬声器和更大的功率。A类放大器太大了,不能产生超过25瓦的功率,而且还能装在仪表盘里。D级轿车于20世纪80年代首次推出,配备了16个扬声器,功率为250瓦。但是音质从来没有a级功放和d级功放好,这是因为mosfet的切换速度不够快,所以切换频率相对较低,复制质量相对较差。当然,有了GaN设备,你可以使用更高的频率。

空间应用

氮化镓的增强模态版本(eGaN)被广泛应用于空间应用的开发。商用GaN电源设备比传统的基于硅技术的Rad硬器件具有更高的性能。这使得创新架构得以实现,并在卫星、数据传输、无人机、机器人和航天器上得到应用。

用于多种电源应用的氮化镓晶体管

图8:采用EPC设备设计的隔离式电源调节装置-铯PCU-1C28

伊根场效应晶体管提供了抗辐射能力,快速的开关速度,提高了效率,导致更小和更轻的电源(更小的磁铁和更小的散热器尺寸,甚至在许多情况下消除散热器)。电源设计人员可以选择增加频率,让磁铁更小,提高效率或设计一个令人满意的平衡两者。伊根场效应晶体管也比等效的mosfet小。更快的瞬态响应也可以减少电容器的尺寸。

本文编译自powerelectronicsnews。

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