功率密度再翻倍!新GaN FET效率高達99%

2020-12-06 騰訊網

德州儀器(TI)日前面向汽車和工業應用推出新一代650V和600V氮化鎵(GaN)場效應電晶體(FET)。與現有矽基或碳化矽解決方案相比，新的GaN FET系列採用快速切換的2.2MHz集成柵極驅動器，可提供兩倍的功率密度和高達99%的效率，並將電動汽車充電器中的電源磁性器件尺寸和車載充電器尺寸分別縮小了59%和50%。

按照TI高壓電源應用產品業務部氮化鎵功率器件產品線經理Steve Tom的說法，新產品在性能、效率和尺寸方面的突破，源於GaN材料更好的開關特性、更快的開關頻率、更低的損耗、以及TI在矽基氮化鎵襯底上的加工能力，因此與碳化矽(SiC)等同類襯底材料相比，更具成本和供應鏈優勢。

在他看來，功率密度、低EMI、低IQ、低噪聲/高精度與隔離功能既是未來電源管理晶片發展的五大前沿趨勢，也是衡量一家企業的產品性能是否繼續享有領導地位的重要指標，5-10年內將不會出現任何改變。

具體而言，就是提高功率密度可以在降低系統成本的同時實現更多的系統功能；儘量減少對其他系統組件的幹擾，簡化工程師的設計和鑑定流程；延長電池壽命與儲存時間、實現更多功能，延長系統使用壽命並降低系統成本；降低或轉移噪聲可簡化電源鏈並提高精密模擬應用的可靠性；在高壓和關鍵安全應用中實現更高工作電壓和更大可靠性。

「考慮到全球能源需求將持續增長，但生產動力的能力卻受到了更多限制，因此必須改進半導體封裝和拓撲結構，才能在成本、可靠性、佔用空間和系統性能方面取得顛覆性優勢。」以汽車行業為例，Steve Tom認為電氣化正在改變汽車行業，消費者越來越需要充電更快、續航裡程更遠的車輛。因此，工程師亟需在不影響汽車性能的同時，設計出更緊湊、輕便的汽車系統；而在工業設計中，需要新器件在更低功耗和更小電路板空間佔用的情況下，在AC/DC電力輸送應用(例如超大規模的企業計算平臺以及5G電信整流器)中實現更高的效率和功率密度。

對功率密度和效率永無止境的追求

眾所周知，在開關過程中會產生功率、功耗甚至熱的損失，由於氮化鎵能實現更快的開關速度，所以能夠減少相應損耗。最新的數據顯示，GaN目前的開關速率達到了150V/ns，開關頻率可以實現2MHz甚至10MHz以上，可以消除整流器在進行交直流轉換時90%的能量損失，還可以使筆記本電源適配器體積縮小80%，因此在開關電源、電動汽車、光伏發電、UPS、數據中心、無線充電，晶片處理器等應用中具有良好前景。

TI早在2010年就開啟了有關氮化鎵的研究，目前為止，能夠對150mΩ、70mΩ和50mΩGaN FETs產品進行組合式批量生產，並在2018年與西門子同步展示了業界首個10千瓦的雲電網與GaN連接的產品。不久前通過自主研發的對流冷卻900V、5000W雙向AC/DC平臺產品，功率密度比傳統IGBT解決方案高300%，進一步擴展了GaN在汽車、併網存儲和太陽能等領域的新應用。

新型GaN FET集成了快速開關驅動器以及內部保護和溫度感應功能，使工程師能夠在電源管理設計中減小電路板尺寸、降低功耗的同時實現高性能。再加上TI GaN技術的高功率密度，使工程師能夠在通常的離散解決方案中減少10多個組件。此外，在半橋配置中應用時，每個帶集成驅動器和保護功能的650V 30mΩ GaN FET均可支持高達4kW的功率轉換。必要的功率級和柵極驅動高頻電流環路安全封裝在電路板上，最大程度地減小了寄生電感，降低電壓過衝並提高性能。

TI 高壓電源應用產品業務部應用工程師張奕馳介紹 LMG3525R030-Q1 650V車用GaN FET評估板時稱，該評估板使用了兩塊LMG3525 30mΩ GaN FET，在半橋中配置了所有必需的偏置電路和邏輯/功率電平轉換功能，插座式外部連接可輕鬆與外部功率級連接。採用散熱板時，可以轉換高達5000瓦的功率，而如果使用冷卻液，功率等級可提升至6000-7000瓦。

GaN具有快速開關的優勢，可實現更小、更輕、更高效的電源系統。在過去，要獲得快速的開關性能，就會有更高的功率損耗。為了避免這種不利後果，新型GaN FET採用了TI的智能死區自適應功能，以減少功率損耗。例如，在PFC中，智能死區自適應功能與分立式GaN和SiC金屬氧化物矽FET(MOSFET)相比，可將第三象限損耗降低多達66%。智能死區自適應功能也消除了控制自適應死區時間的必要，從而降低了固件複雜性和開發時長。

所謂「智能死區自適應功能」，張奕馳解釋說，PFC中有同步開關和主動開關，同步開關打開之前的死區時間根據負載電流大小來提供，負載電流越大，所需要的死區時間就越短。而智能死區自適應功能可以通過負載電流來調節死區的時間，從而使得效率得以最大化。

散熱方面，Steve Tom說如果採用TI GaN FET的封裝產品，其熱阻抗比性能最接近的同類產品還要低23%，因此可使工程師使用更小的散熱器，簡化散熱設計。此外，FET集成的數字溫度報告功能還可實現有源電源管理，從而使工程師能在多變的負載和工作條件下優化系統的熱性能。

目前TI.com.cn上已提供四種新型工業級600V GaN FET的預生產版本，採用12mm x 12mm方形扁平無引腳(QFN)封裝。TI預計工業級器件LMG3425R030將於2021年第一季度實現批量生產。新型LMG3522R030-Q1和LMG3525R030-Q1 650V車用GaN FET的預生產版本和評估模塊預計將於2021年第一季度在TI.com.cn上發售。

文稿來源：電子工程專輯

圖片來源：拍信網

點擊在看，讓更多人看到▼

相關焦點

  • 利用集成型GaN FET實現效率和功率密度更大化
    LMG3425R030是一款功率密度加倍，且所需器件更少的600V工業級GaN FET。特別需要強調的是，該產品達到了99%的效率，在成本方面極具競爭力。傳統應用中，在效率、功率密度、成本中必須有所取捨，而這款產品則無需這種抉擇和擔心。
  • GaN FET功率密度再翻倍!寬禁帶半導體圍繞汽車展開爭奪
    按照TI高壓電源應用產品業務部氮化鎵功率器件產品線經理Steve Tom的說法，新產品在性能、效率和尺寸方面的突破，源於GaN材料更好的開關特性、更快的開關頻率、更低的損耗、以及TI在矽基氮化鎵襯底上的加工能力，因此與碳化矽(SiC)等同類襯底材料相比，更具成本和供應鏈優勢。
  • 帶集成驅動和保護功能的高壓GaN FET在工業和電信應用中將功率密度...
    帶集成驅動和保護功能的高壓GaN FET在工業和電信應用中將功率密度提高了一倍 　　德州儀器(TI)近日宣布推出支持高達10kW應用的新型即用型
  • fet 文章 - fet_電子產品世界
    近日，德州儀器（TI）宣布其首款帶集成驅動器、內部保護和有源電源管理的GaN FET，分別面向車用充電器和工業電源，可以實現2倍的功率密度和高達99%的效率。TI如何看待GaN在汽車和工業方面的機會？此次GaN FET的突破性技術是什麼？為此，電子產品世界記者線上採訪了TI高壓電源應用產品業務部GaN功率器件產品線經理Steve Tom。
  • fet 文章 - fet _電子產品世界
    近日，德州儀器（TI）宣布其首款帶集成驅動器、內部保護和有源電源管理的GaN FET，分別面向車用充電器和工業電源，可以實現2倍的功率密度和高達99%的效率。TI如何看待GaN在汽車和工業方面的機會？此次GaN FET的突破性技術是什麼？為此，電子產品世界記者線上採訪了TI高壓電源應用產品業務部GaN功率器件產品線經理Steve Tom。
  • GaN FET都有哪些發展機會?
    電源設計人員必須向其應用中集成更多的電路，才能實現產品的差異化，並提高效率和增強熱性能。在TI看來，功率密度、低EMI、低IQ、低噪聲高精度與隔離功能是未來電源管理晶片發展的五個重要因素。 德州儀器高壓電源應用產品業務部氮化鎵功率器件產品線經理Steve Tom表示：「TI GaN所關注的是如何提供並在應用中達到更高的功率密度。
  • TI推出其首款帶集成驅動器、內部保護和有源電源管理的車用GaN FET
    工程師可以使車用充電器和工業電源實現兩倍的功率密度和更高效率2020年11月10日，德州儀器（TI）推出了面向汽車和工業應用的下一代650V和600V氮化鎵（GaN）場效應電晶體（FET），進一步豐富拓展了其高壓電源管理產品線。
  • 汽車和工業用FET選擇GaN-on-Si的原因是什麼
    而在工業領域，在對更低功耗或更小體積的器件需求度升高的同時，我們還希望能在AC/DC電力輸送應用中實現更高的效率和功率密度，比如在超大規模的企業計算平臺以及5G電信整流器中。以TI推出的650V和600V氮化鎵（GaN）場效應電晶體（FET）為例，它在採用了快速切換的2.2MHz集成柵極驅動器後，可提供兩倍的功率密度和高達99％的效率，並將電源磁性器件的尺寸減少59％。同時還能延長電池續航，提高系統可靠性並降低設計成本，就問香不香？ 至於為什麼像TI這樣的廠商都在選擇GaN-on-Si，而非SiC或GaN-on-SiC？
  • Nexperia 推出行業領先性能的高效率氮化鎵功率器件 (GaN FET)
    2019 年 11 月 19 日：分立、邏輯和 MOSFET 器件的專業製造商Nexperia，今天推出650V的功率器件GAN063-650WSA，宣布其進入氮化鎵場效應管
  • 功率半導體全球老大的氮化鎵(GaN)新布局
    它們可在開關模式電源（SMPS）中實現高能效和高功率密度，其優值係數（FOM）在當前市場上的所有600 V器件中首屈一指。CoolGaN開關的柵極電荷極低，且具有極少輸出電容，可在反嚮導通狀態下提供優異的動態性能，進而大幅提高工作頻率，從而通過縮小被動元器件的總體尺寸，提高功率密度。
  • TI為何把首款GaN FET定位於汽車和工業應用
    近日，德州儀器（TI）宣布其首款帶集成驅動器、內部保護和有源電源管理的GaN FET，分別面向車用充電器和工業電源，可以實現2倍的功率密度和高達99%的效率。本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/202011/420378.htmTI如何看待GaN在汽車和工業方面的機會？
  • GaN FET與矽FET的比較
    要使用全新的技術來減輕風險，比較謹慎的做法是看一看特定的用例，以及新技術在應用方面的環境限制，並且建立能夠針對環境變化進行應力測試和監視的原型機。對於大量原型機的實時監視會提出一些有意思的挑戰，特別是在GaN器件電壓接近1000V，並且dv/dts大於200V/ns時更是如此。　　一個經常用來確定功率FET是否能夠滿足目標應用要求的圖表是安全工作區域 （SOA） 曲線。
  • TI發布業內首款80V半橋GaN FET模塊
    本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/271337.htm　　全新的LMG5200 GaN FET功率級原型機將有助於加快下一代GaN電源轉換解決方案的市場化，此方案為空間有限且高頻的工業應用和電信應用提供更高的功率密度和效率。
  • 電源轉換器如何選用合適的Si/SiC/GaN功率開關組件?
    89uEETC-電子工程專輯一般碳化矽功率開關組件採用水平式閘極(DMOS)的結構，如圖3左圖所示，須要增加驅動電壓來降低界面的陷阱密度讓信道電阻降低，但是較高的驅動電壓會影響碳化矽功率開關組件的可靠度。使用溝槽式閘極結構(TMOS)來製作碳化矽功率開關組件，如圖3右圖所示，可以有效降低陷阱密度，兼顧碳化矽功率開關組件的性能和可靠度。
  • 功率密度基礎技術簡介
    ●   通過機電元件集成來減小系統體積我還將演示如何與TI合作，使用先進的技術能力和產品來實現這四個方面，幫助您改進並達到功率密度值。首先，讓我們來定義功率密度，並著重了解一些根據功率密度值比較解決方案時的細節。什麼是功率密度？
  • 在能量轉換過程中功率密度與系統效率該如何進行平衡
    能量轉換效率是一個重要的指標，各製造商摩拳擦掌希望在95%的基礎上再有所提升。 本文分析了追求能源轉換效率在節能、採集/處理成本和機櫃/工廠車間利用率中所佔百分比的實際成本，並與增加功率密度和系統效率進行了比較。 最大化效率與成本 在電力電子領域，效率是一個很容易被概念化的術語——100%就是好，0%就是差。
  • GaN 將能源效率推升至新高度
    其實，電信、工業自動化、汽車和許多其他系統也同樣需要提供高密度的電源系統。提高電力傳輸效率的一種方法是利用包括氮化鎵（GaN）在內的新的能源半導體技術。與傳統的矽解決方案相比，GaN在開關性能方面具有本質上優越的器件屬性，當它部署在開關電源中時，可高效供電，將效率提高到前所未有的高度。
  • 氮化鎵快充市場爆發,這6款GaNFET控制晶片火了
    ，應用氮化鎵高頻特性，使得終端快充產品體積更小，效率更高。 亞成微RM6801SN採用專有驅動技術，直驅E-MODE GaN功率器件，提高產品效率及功率密度，簡化
  • 研究人員在熱電器件轉換效率與功率密度上取得重大突破
    長期以來，熱電器件的研究聚焦在如器件能量轉換效率的最大化，而功率密度一直被忽略。開發同時具有高轉換效率和高功率密度，即：「雙高」熱電發電器件，已成為推進熱電發電技術實用化的關鍵。
  • H3X電動機設計的功率密度是現有其他電動機的三倍
    明尼阿波利斯的一家新公司H3X正在將注意力轉移到推進系統。據稱他們的集成電機技術設計的功率密度是現有市場上其他電動機的三倍。它的連續功率密度高達13.3 kW / kg。ZeroAvia去年在世界上第一架商用電動飛機上使用的電機是Magnix Magni500，其功率密度更僅為4.2 kW/kg。