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  • 年产36万片砷化镓/氮化镓微波射频芯片!立昂微5亿元设子公司,推进微波射频项目

    近日,杭州立昂微电子股份有限公司(以下简称“立昂微”)发布公告,投资5亿元在浙江海宁市设子公司,海宁立昂东芯微电子有限公司(暂定名,以下简称“海宁公司”)。专项负责推进、实施微波射频集成电路芯片项目。 据公告称,该项目选址在海宁经济开发区东区红狮产业园地块,总用地约200亩,项目总投资约 43 亿元,其中设备投资 36.05 亿,土地及生产、动力、环境等各类厂房投资 3.8 亿, 流动资金和其他配套投资 3.15 亿。 值得注意的是,该项目建成后预计年产 36 万片 6 英寸砷化镓/氮化镓微波射频集成电路芯片。其中包括年产 18 万片砷化镓 HBT 和 pHEMT 芯片,年产 12 万片垂直腔面发射激光器 VCSEL 芯片,年产 6 万片氮化镓 HEMT 芯片。 该项目由海宁公司在五年内分阶段实施,其中第一阶段工程 18 万片/年,第二阶段工程 18 万片/ 年。

    时间:2021-04-19 关键词: HEMT芯片 氮化镓 微波射频芯片

  • 缩小高效充电器的尺寸

    缩小高效充电器的尺寸

    提供最紧凑、最高效的US-PD充电器已成为渴望在这个竞争激烈的市场中抢占份额的配件厂商的要求。随着手持设备的功能不断增加,以及快速充电协议成为标准,提供更多的电力已是一项关键要求。这些相互制约的设计要求正在催生一系列新的解决方案,这些方案当中要求离线反激式电源设计中PCB电路空间使用率必须最大化,此类标准解决方案要满足高达100W的充电器应用。 氮化镓功率开关的引入和精确的同步整流使效率水平超过了90%,从而降低了对导热片和散热片的要求。USB-PD充电协议要面临高度可变的负载条件,要求提供宽范围的输出电压和电流,这为工作效率带来了挑战。从这个角度来看,单电压65W的笔记本电脑适配器,其供电效率可以达到95%,在各种负载条件下相对保持一致。提供类似功率输出但支持USB-PD协议的设计在满载情况下最多只能实现93%的效率。在这种设计中,效率损失的主要原因在于输出电压范围较宽(5V至20V),这导致变压器匝数比折中和开关占空比变化较大,从而影响变压器磁通密度。 图1 – 65W单一输出电源与65W可变电压USB-PD设计(3V、5V-9V-12V-15V-20V)相比的最高实用效率 缩小电源尺寸的传统方法是利用氮化镓开关的极低开关损耗并提高电源的开关频率。这样就可以通过减少每个周期的开关导通时间来选择物理尺寸更小的功率变压器,从而降低单位磁芯面积的磁通密度。如上所述,由于需要满足多种工作条件,变压器设计时要对这些情况综合考虑,因此提高开关频率会给电路设计人员带来额外的负担。 提高开关频率对主氮化镓开关的影响很小,但是标准的低成本RCD初级箝位电路(用于防止在开关关断期间出现过大的电压过冲)在高频下会造成过高的损耗。有源箝位电路通常用于高频设计,以回收部分箝位能量。但需要搭配一个额外的高压氮化镓开关,这种方法可有效降低功率损耗,使小型设计成为可能。传统的设计采用互补模式的有源箝位电路,要求工作于DCM工作模式,这对通用USB-PD设计来说是一个挑战。这种拓扑结构还必须采用低容量的输出大电容来强制与反激电路的初级开关进行谐振开关(ZVS),这会进一步增加输出滤波级的设计复杂度。 缩小反激式电源尺寸的新方法 除了大尺寸的功率变压器外,离线电源中另一个重要的元件就是输入大电容。全球适用是对快速充电器的普遍要求。这通常意味着输入电压范围为90-264VAC,同时初级母线电压将在127VDC至374VDC的范围内。当输入电压下降时,每个工频周期内需要由大电容为反激级提供能量。电容的储能与输入电压的平方成正比。这意味着在低输入电压下,为了存储相同的能量,大电容的容量必须为高输入电压下工作所需容量的大约四倍。对于宽范围电源来说,这两个因素结合在一起,意味着大电容必须足够大(以容值计)以支持低电压,同时也要足够大(以电压计)以在最大高输入电压下安全工作。过度减小大电容的容值会导致输出纹波增加 – 这是大多数充电器应用的问题,而降低额定电压则会影响可靠性并大幅缩短电路寿命。给定容值的电解电容大小与额定电压的平方有关。这意味着高压、高容值的电容开始变得非常大。 图2 - 初级大电容的额定电压和储能与尺寸的关系 在充电器应用中,对更高的电压和更高的电容的要求不是同时提出的,无需同时满足。Power Integrations推出的一项新技术解决方案利用此条件,可在不提高开关频率的情况下,节省多达40%的电源尺寸。 图3 – 用于减小大电容尺寸的MinE-CAP电路 该电路的工作原理是:当输入电压较低时,利用开关增加电容,当输入电压上升到阈值电压以上时,断开低压大电容。电容开关在导通时必须通过初级开关电流,因此采用氮化镓器件在很小的面积内提供低RDS(on),以确保高效率。开关频率是工频频率的两倍,因此开关损耗可以忽略不计。这使设计人员可以组合使用低压、高容值器件以及低容值、高压电容。这种方法可以显著节省空间,将大电容的体积减少50%。 图4 - 与传统电源相比,采用MinE-CAP设计可节省空间 当输入电压低于安全阈值(150V)时,控制电路会检测到此变化,并将低压电容(通常采用额定电压160V的标准电容)接入电路。该控制器还确保低压电容保持充电状态,以便它们能够按需提供能量,并确保电容的性能不会随着时间的推移而下降 - 这是未充电的电解电容可能出现的问题。此外,控制器可在电源接通时管理电容充电,并在输入浪涌和电压骤升时提供快速保护。MinE-CAP IC可以与Power Integrations的InnoSwitch3和InnoSwitch3-Pro功率变换IC配合使用,并使用单引脚接口来控制它们在启动期间和故障情况下的操作。 在反激式电源中使用MinE-CAP降低浪涌电流 除了减小大电容的体积外,MinE-CAP还可大大减小开机时线路中的输入电容容量。这样实际上会消除浪涌电流应力,无需浪涌电流限制器(热敏电阻或NTC),从而提高电路的整体效率,消除主要发热点,并减轻整流桥和输入滤波器的应力。 图5 – 使用MinE-CAP与不使用MinE-CAP但使用传统1Ω或5Ω NTC的电源设计的浪涌电流i2t特性 结论 MinE-CAP最适合用于25至75W输出功率且不含PFC电路的电源设计。该电路还支持非充电器应用,适用于在输入电压不稳定的地区中工作的电源。第一批采用此项新技术的设计已经投入生产,与高开关频率的解决方案相比,元件数量少(仅需五个元件即可使MinE-CAP电路工作)可确保设计最大限度地缩小尺寸,同时降低制造难度。 补充内容 MinE-CAP在市电电压不稳定地区的应用 MinE-CAP的工作原理是,当输入电压超过“低压”类电容的额定电平时,会将电容切出电路。在发展中经济体中,交流输入电路可能会受到随机电压骤升的影响,该情况会在几秒钟或几分钟内大幅升高母线电压。用于工业设备和家电的传统充电器和电源为了解决这一问题,通常会使用串联低压电容或采用非常大的600V额定电压电容来确保大电容级处于安全工作电压下,从而加强对输入级的保护。MinE-CAP电路可用于在输入浪涌期间隔离大部分大电容,仅将一个很小的高压电容留在电路中(因为高压输入时可以更加容易地储存至所需的能量,以防止输出端出现100Hz的纹波)。这种方法意味着,通过引入MinE-CAP开关技术,可以缩减全球适用的输入级的尺寸和成本。 图6:使用MinE-CAP的印度版开关电源与传统电路的比较

    时间:2021-04-02 关键词: 充电器 功率开关 氮化镓

  • 迎接氮化镓的新浪潮

    迎接氮化镓的新浪潮

    ST(意法半导体)推出了MasterGaN平台,该平台集成了基于硅技术的半桥驱动器和一对氮化镓功率晶体管。ST在接受EE-Times采访时强调了这个新平台如何通过提供更轻的方案,3倍充电时间以及80%的系统体积缩小。但最重要的是,它简化了设计,从而优化了上市时间。 MasterGaN将硅与GaN相结合,以加速下一代紧凑高效的电池充电器和电源适配器的开发,适用于高达400W的消费和工业应用。通过使用GaN技术,新设备可以在优化效率的同时处理更多的功率。ST强调了GaN与驱动器的集成如何简化设计,并具有更高的性能水平。 GaN市场前景 GaN晶体管是当今“最Cool”的元件之一。它的具有高的断态击穿强度以及导通状态下的优异沟道导电性,使器件效率更高并且温升更小,即便在高温和极端条件下。这就是为什么这种材料在许多关键部门得到广泛应用的主要原因之一,在这些部门,对大电流是主要需求。 目前的GaN市场通常由分立功率晶体管和驱动集成电路组成,这需要设计者学习新的实现技术以获得最佳性能。ST的MasterGaN方法旨在提供更快的上市时间,同时在更小的面积内保持高效的性能,同时简化组装复杂度,并用更少的组件提高系统可靠性。ST表示,利用GaN技术和集成产品,充电器和适配器相比标准硅基解决方案,减少80%的尺寸和70%的重量。 在功率GaN晶体管中,温度起重要作用的元件有两个参数:工作损耗的RDSon和与之相关的开关损耗的跨导。保持小温升有很多好处,具体如下: 在最恶劣的运行条件下防止热失控 总体上减少散热开销 提高系统性能和效率 增加系统功率密度 提高电路的可靠性 ST的解决方案 ST的MasterGaN1平台,包含两个半桥GaN功率晶体管,集成了高边和低边硅驱动器。该平台使用600V半桥门驱动器和常关型GaN晶体管(HEMT)。 高电子迁移率允许GaN晶体管仅为硅MOSFET开关的1/4。此外,在给定的工作模式下,开关损耗大约是硅晶体管的10%到30%。因此,GaN高电子迁移率晶体管(HEMTs)的驱动频率比硅MOSFET、IGBT高得多。由于GaN-HEMTs具有极化效应,所以需要增加极化网络,芯片供应商已将其集成到器件中。 与基于硅的传统解决方案相比,氮化镓在功率转换器等应用中实现了显著的改进:更高的功率效率、更小的尺寸、更轻的重量和更低的总体成本。 MasterGaN的内置功率Gan具有150MΩ的RDSon和650V击穿电压,内置栅极驱动器的高压侧可以很容易地由内置的自举二极管供电。 图1:MasterGaN1的框图。 图2:MasterGaN1的开发板。 MASTERGAN1逻辑输入与3.3V到15V的信号兼容,因此提供了与微控制器和各种传感器的简单接口。上下驱动器均设有UVLO保护,防止电源开关在低效或危险条件下工作,联锁功能可避免交叉传导情况。 这些器件将以引脚兼容的半桥产品形式提供,允许工程师以最小的硬件更换来扩展。利用GaN晶体管的低导通损耗和二极管恢复特性,该产品在高端高效拓扑中提供了更高的整体性能,如有源箝位反激或正激,谐振,PFC极无桥图腾和其他软、硬开关拓扑,用于AC/DC和DC/DC变换器。 EVAL MASTERGAN1评估板允许评估MASTERGAN1的特性并快速创建新拓扑,而无需进行完整的PCB设计。板上提供了一个可编程的死区时间发生器,带有一个VCC电源(6 V型)。集成3.3V线性电压调节器为微控制器或FPGA提供逻辑。该电路板同时提供定制化功能,如使用外部自举二极管,各种解决方案的独立电源,以及峰值电流拓扑使用低侧并联电阻。

    时间:2021-03-30 关键词: GaN 氮化镓

  • 针对电动汽车应用,氮化镓的优势有哪些

    针对电动汽车应用,氮化镓的优势有哪些

    为了解决诸如行驶距离,充电时间和价格等消费者关注的问题,以加速电动汽车(EV)的采用,全球的汽车制造商都要求增加电池容量和更快的充电能力,而尺寸,重量或组件成本却不能增加。 EV车载充电器(OBC)正在迅速发展,它使消费者可以在家中或公共或商业网点通过交流电源直接为电池充电。增加充电速率的需求使充电功率水平从3.6 kW增加到22 kW,但同时,OBC必须安装在现有的车内,并始终不会移动,但是前提是不会影响行驶里程。有人已经提出将OBC的功率密度从今天的<2 kW/L增加到> 4 kW / L。 开关频率的影响 OBC本质上是一个开关电源转换器。诸如变压器,电感器,滤波器和电容器之类的无源部件以及散热器构成了其重量和尺寸的主要部分。增加开关频率意味着无源元件更小。但是,较高的开关频率会在诸如功率MOSFET和绝缘栅双极晶体管等开关元件中引起较高的功耗。 减小尺寸需要进一步降低功率损耗以保持相同的组件温度,因为现在有较小的表面积可用来散热。这种更高的功率密度要求同时增加开关频率和效率。其中存在着挑战,而基于硅的功率器件很难解决这一挑战。 提高开关速度将从根本上减少开关能量的损失。这是必要的,否则实际的最大频率将受到限制。在低电感电路路径布置中经过精心设计的,端子之间具有较低寄生电容的功率器件可提供更好的效率。 宽禁带超越硅 使用宽禁带半导体(例如氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC))构建的功率器件凭借其器件物理特性,可显着降低电容,以实现可比的导通电阻和击穿电压。更高的击穿临界电场(GaN相对于硅为10倍)和更高的电子迁移率(GaN比硅高33%)有效地实现了更低的导通电阻和更低的电容。所以GaN和SiC FET能够以比硅更低的损耗在更高的开关速度下工作。 GaN的优势尤其明显: GaN的低栅极电容可在硬开关期间实现更快的导通和关断,从而减少了转换损耗,GaN的栅极电荷因数为1nC-Ω。 GaN的低输出电容可在软开关期间实现快速的漏源转换,特别是在低负载(励磁)电流的情况下。例如,与25nC-Ω的硅相比,典型的GaN FET的输出电荷品质因数为5nC-Ω。这使设计人员可以使用较小的死区时间和低励磁电流,这对于增加频率和减少循环功耗是必不可少的。 与硅和SiC功率MOSFET不同,GaN晶体管在其结构中没有固有的体二极管,因此没有反向恢复损耗。这使得像图腾柱无桥功率因数校正这样的新型高效架构可以在数千瓦时实用,而以前是硅器件无法实现的。 所有这些优势使设计人员能够使用GaN在更高的开关频率下实现高效率,如图1所示。额定650 V的GaN FET能够实现高达10 kW的应用,例如服务器AC / DC电源,EV高压DC / DC转换器和OBC(并联堆叠可达到22 kW)。SiC器件可提供高达1.2 kV的电压,并具有高电流承载能力,非常适合EV牵引逆变器和大型三相电网逆变器。 图1:GaN在实现超高频应用方面超越了所有技术 高频设计挑战 切换到数百伏特时,典型的10 ns上升和下降时间需要仔细设计,以避免寄生寄生电感效应。FET和驱动器之间的共源极和栅极环路电感扮演着以下关键角色: 公共源极电感会限制漏极至源极的瞬态电压(dV / dt)和瞬态电流(dI / dt),降低开关速度,并增加硬开关期间的重叠损耗和软开关期间的过渡时间。 栅极环路电感会限制栅极电流dI/dt,从而降低开关速度并增加硬开关期间的重叠损耗。其他负面影响包括增加对Miller导通的敏感性,引起额外功率损耗的风险以及引入设计挑战以最大程度地减小栅极绝缘体电压过应力,如果不适当缓解,则会降低可靠性。 结果,工程师可能需要求助于铁氧体磁珠和阻尼电阻器,但这些会降低开关速度并违背增加频率的目标。尽管GaN和SiC器件本质上适用于高频工作,但想要充分发挥其优势,还需要克服系统级设计挑战。一个精心设计的产品,兼顾易用性,健壮性和设计灵活性,将加速技术的采用。 具有集成驱动器,保护,报告和电源管理的GaN FET 德州仪器(TI)的全集成式650V汽车GaN FET旨在提供GaN的高效、高频开关优势,而不会带来相关的设计和组件选择缺陷。GaN FET和驱动器紧密集成在低电感四方扁平无引线(QFN)封装中,大大降低了寄生栅极环路电感,消除了对栅极过应力和寄生Miller导通的担忧,同时共源极电感非常低实现快速切换,减少损耗。 LMG3522R030-Q1与C2000实时微控制器中的高级控制功能(如TMS320F2838x或TMS320F28004x)相结合,可在功率转换器中实现高于1 MHz的开关频率,与现有的硅和SiC相比,其磁尺寸减小了59%。 Demo的漏极至源极压摆率> 100 V/ns,与分立FET相比,可将开关损耗降低67%,而其可调性在30V/ns至150V/ns之间,可在效率与电磁干扰之间进行权衡,以降低下游产品设计风险。集成电流保护提供了鲁棒性,而新功能包括LMG3525R030-Q1提供的用于有源功率管理,健康状态监测和理想二极管模式的数字脉宽调制温度报告,从而消除了对自适应死区的需求。封装还提供顶部封装选项,这样更方便进行有效散热。 TI GaN器件具有超过4000万的器件可靠性小时,并且10年寿命的故障率低于1,可提供汽车制造商所期望的坚固性。TI GaN在广泛可用的硅衬底上制造,并使用100%内部制造设施中的现有成熟工艺节点开发,与基于SiC或蓝宝石衬底的其他技术不同,它具有确定的供应链和成本优势。

    时间:2021-03-30 关键词: GaN 氮化镓

  • 氮化镓功率器件增长达 90.6% ,为什么GaN器件得到了发展?

    氮化镓功率器件增长达 90.6% ,为什么GaN器件得到了发展?

    在过去的十多年里,行业专家和分析人士一直在预测,基于氮化镓(GaN)功率开关器件的黄金时期即将到来。TrendForce 集邦咨询近日发布了 GaN 氮化镓市场调查报告。报告显示,尽管 2018 年至 2020 年以氮化镓为代表的第三代半导体产业受到贸易摩擦、疫情影响增长受到压力,但 2021 年该产业成长动能有望高速回升,预计 GaN 氮化镓功率器件市场规模将达到 6100 万美元,年增长率达到 90.6%。 一、第三代半导体行业概况:1.什么是第三代半导体? 第三代是指半导体材料的变化,从第一代、第二代过渡到第三代。 第一代半导体材料:锗以及硅,也是目前最大宗的半导体材料,成本相对便宜,制程技术也最为成熟,应用领域在资讯产业以及微电子产业。 第二代半导体材料:砷化镓以及磷化铟,主要应用在通讯产业以及照明产业。 第三代半导体材料:以碳化硅以及氮化镓为代表,可应用在更高阶的高压功率元件以及高频通讯元件领域,是5G时代的主要材料。 氮化镓是一种无机物,化学式GaN,是氮和镓的化合物,是一种直接能隙(direct bandgap)的半导体,自1990年起常用在发光二极管中。此化合物结构类似纤锌矿,硬度很高。氮化镓的能隙很宽,为3.4电子伏特,可以用在高功率、高速的光电元件中,例如氮化镓可以用在紫光的激光二极管,可以在不使用非线性半导体泵浦固体激光器(Diode-pumped solid-state laser)的条件下,产生紫光(405nm)激光。2014年,日本名古屋大学和名城大学教授赤崎勇、名古屋大学教授天野浩和美国加州大学圣塔芭芭拉分校教授中村修二因发明蓝光LED而获得当年的诺贝尔物理奖。 GaN在1050℃开始分解:2GaN(s)=2Ga(g)+N2(g)。X射线衍射已经指出GaN晶体属纤维锌矿晶格类型的六方晶系。在氮气或氦气中当温度为1000℃时GaN会慢慢挥发,证明GaN在较高的温度下是稳定的,在1130℃时它的蒸气压比从焓和熵计算得到的数值低,这是由于有多聚体分子(GaN)x的存在。GaN不被冷水或热水,稀的或浓的盐酸、硝酸和硫酸,或是冷的40%HF所分解。在冷的浓碱中也是稳定的,但在加热的情况下能溶于碱中。 氮化镓功率器件在性能、效率、能耗、尺寸等多方面比市场主流的硅功率器件均有显著数量级的提升。例如,相比主流的硅基MOSFET、IGBT,氮化镓功率器件的开关频率可以高出1000倍;能量损耗可以降低50%-90%;每瓦尺寸和重量降至原先的1/4,系统成本可以大幅降低。 TrendForce 详细介绍了作出此预测的原因。首先,新冠疫苗的问世有望缓解全球疫情,进而带动工业能源转换所需零组件如逆变器、变频器等,以及通讯基站需求回稳。其次,随着特斯拉 Model 3 电动车逆变器逐渐采用 SiC 碳化硅器件,第三代半导体于车用市场逐渐备受重视。最后,中国政府为提升半导体自主化,今年提出十四五计划投入巨额人民币扩大产能,上述都将成为推升 2021 年 GaN 及 SiC 等第三代半导体高速成长的动能。 时下,多个厂商正在大量的生产GaN器件,这些GaN器件正在被应用于工业、商业甚至要求极为严格的汽车领域的电力和电机控制中。他们的接受度和可信度正在逐渐提高。(请注意,基于GaN的射频功放或功放也取得了很大的成功,但与GaN器件具有不同的应用场合,超出了本文的范围。)本文探讨了GaN器件的潜力,GaN和MOSFET器件的不同,GaN驱动器件成功的关键并介绍了减小栅极驱动环耦合噪声技术。 电源领域也是目前最大的应用市场,高压和低压氮化镓功率器件为交流-直流(AC-DC)、隔离型直流(isolated DC-DC)、负载点(point of load)功能带来附加值。 对于低压氮化镓功率器件,市场也相当有前途:随着不同的无线充电标准发展,如Qi和AirFuel,氮化镓电源多模器件可以方便地为系统集成商所用。 aN器件目前虽有部分晶圆制造代工厂如台积电、世界先进等尝试导入8英寸晶圆生产,但现行主力仍以6英寸为主。因疫情趋缓所带动5G基站射频前端、手机充电器及车用能源传输等需求逐步提升,预期2021年通讯及功率器件营收分别为6.8亿和6,100万美元,年增30.8%及90.6%。 与应用广泛的MOSFET硅功率器件相比,基于GaN的功率器件具有更高的效率和更强的功耗处理能力。这些优势正是当下高功耗高密度系统、服务器和计算机所需要的,可以说专家所预测的拐点已经到来!对此,大家怎么看?

    时间:2021-03-14 关键词: 充电器 氮化镓

  • Nexperia与联合汽车电子有限公司就氮化镓领域达成深度合作

    Nexperia与联合汽车电子有限公司就氮化镓领域达成深度合作

    奈梅亨,2021年3月12日:基础半导体器件领域的专家Nexperia宣布与国内汽车行业主要供应商联合汽车电子有限公司(简称UAES)在功率半导体氮化镓(GaN)领域展开深度合作,旨在满足未来对新能源汽车电源系统不断提升的技术需求,共同致力于推动GaN工艺技术在中国汽车市场的研发和应用。 随着汽车电气化、5G通信、工业4.0市场的不断增长,基于GaN的主流设计正渐入佳境,势必推动2021年及未来功率半导体的需求增长。Nexperia GaN FET产品已与UAES在电动汽车的车载充电器、高压DC-DC直流转换器等项目中开展研发合作。Nexperia氮化镓工艺技术基于成熟可靠的量产工艺,极低的开关品质因数(RDS(on) x QGD)和反向恢复电荷(Qrr)支持高开关频率,同时提供较低的功耗和更高效的功率转换。Nexperia的全球自有化生产基地使我们能够向市场提供真正符合车规级AEC-Q101的产品。 联合汽车电子有限公司为客户提供先进的、完整的汽车动力总成和车身控制系统解决方案,从事汽油发动机管理系统、变速箱控制系统、车身电子、混合动力和电力驱动控制系统的开发、生产和销售。其位于上海、重庆、芜湖、柳州和苏州的五家技术中心拥有世界先进水平的整车、发动机、自动变速箱、电力驱动性能开发实验室,其先进的设备能有效为国内各汽车厂商提供优质的系统开发、零部件开发、标定等工程服务。 Nexperia的高层表示:“新能源汽车电源系统有望在未来主导半导体器件持续增长的市场需求,硅基氮化镓场效应晶体管的功率密度和效率将在汽车电气化应用中发挥关键作用。我们非常认可联合汽车电子有限公司在汽车行业宽广的产品线、行业地位和客户基础,相信我们在氮化镓领域的深入合作将使两家公司能为客户提供更为先进和高效的新能源汽车电源系统解决方案。上月初,我们宣布提高全球产量并增加研发支出,全力支持新产品开发,包括最近在上海开设了新的全球研发中心、扩大了香港的研发机构。我们有意愿加大投资,与UAES共同打造基于GaN工艺的联合实验室,携手推动GaN工艺技术在中国市场的研发和应用,支持我们在全球汽车领域的增长。” 联合汽车电子有限公司高层说到:“我们很高兴能与Nexperia这样汽车应用领域的领军半导体企业合作,发展基于GaN工艺的新能源汽车电源系统的创新解决方案。此举将帮助我们减少产品的器件使用数量、降低成本、提高功率密度和提升整个系统的可靠性及功效。”

    时间:2021-03-12 关键词: 新能源汽车 Nexperia 氮化镓

  • 碳化硅、氮化镓有什么差别?

    人工智能(AI)、边缘运算与万物联网趋势,带来无所不在的感测、通讯与功率解决方案需求,化合物半导体的重要性也随之暴增。从资料中心里的服务器、网通设备,到手机上的 RF 功率放大器,以及为所有电子元件供应电力的功率元件,都将因化合物半导体的普遍运用,在性能上出现重大突破。 5G 通讯频率高,能源效率更显重要 台达电资通讯基础设施事业群技术长蔡文荫就指出,在万物联网的未来,资料中心需处理的资料量将呈现爆发式成长,连带使得资料中心对电源、冷却设备的需求增加。但在此同时,客户也会对能源效率有更严格的要求。因为能源效率即便只是增加 1%,都能为客户创造出可观的节能效益。 联发科技处长梁正柏则从终端装置的角度出发,分享 5G 通讯在功率方面所面临的挑战。梁正柏指出,即便在 Sub 6GHz 频段,5G 所使用的通讯频率也高于 4G。光是在 RF 前端,讯号损失就会增加 1~2dB;再加上手机内部能留给天线的空间越来越小,5G 手机天线的性能,通常会减少 0.5~1.5dB。 EFFECT PHOTONICS 技术长 Tim Koene 表示,提到光电积体电路,业界普遍想到的都是硅光子(Silicon Photonic),并认为硅光子将在成本上拥有压倒性优势,其他基于化合物半导体的光电积体电路很难与之竞争。 以耐受电压与输出功率为界,SiC、GaN 各有其优势场域 Yole Développement 电源与无线部门总监 Claire Troadec 表示,电源芯片产业大约每 20 年会有一次革命性突破,GaN on Si 与 SiC 将是引领这波新革命的要角。但由于材料特性不同,这两种元件适合的应用市场也有所区隔。一般来说,以耐受电压 600~650 伏特为界,高于此一区间的应用会以 SiC 为主;低于此一区间的市场则会是 GaN 的主战场。 就个别应用来说,SiC 最重要的应用会是电动车、轨道运输与电动车充电站;GaN 最重要的应用则是消费性电源,其次是电动车与不断电系统(UPS)等。 干坤科技技术长詹益仁认为,GaN 在电源领域的应用潜力自 2010 年开始受到关注,当时业界对其发展前景相当看好,投入的厂商也不少。但由于 GaN 与硅的特性不同,操作方式也不一样,因此在商品化初期遇到相当多问题,发展并不如预期顺利。直到最近一两年,GaN 在技术上才真的达到成熟阶段,可以大量商品化。 GaN Systems 亚洲区总经理 Stephen Coates 则指出,以 GaN 材料制作的功率电晶体,经过多年发展,生态系统已经渐趋成熟。不仅市场上已有相当多标准产品,价格也十分具有竞争力。以往客户最有疑虑的元件可靠度问题,现在也已不成问题。除了消费性电源之外,GaN Systems 也有服务器、工业设备、能源储存等领域的客户,推出采用 GaN 功率元件的应用产品;汽车 Tier 1 客户则正在设计导入阶段。这些对元件品质、可靠度要求极为严谨的垂直产业开始采用,是 GaN 元件可靠度已经不成问题的最佳证明。 产品线横跨 GaN 与 SiC 的意法半导体(ST)则认为,两种产品虽然有应用重叠之处,但由于技术特性的差异,会自然形成产品区隔。意法策略行销经理 Filippo Di Giovanni 指出,GaN 与 SiC 应用重叠的地方,落在输出功率 1~30kW 之间的应用,低于  1kW 的应用,GaN 有明显的优势,高于 30kW 的应用,则应该采用 SiC。 检测、蚀刻、封装陆续到位,宽能隙元件起飞可期 日月光处长邱基综就指出,过去几十年来,电源芯片的封装一直在追求微型化、更好的散热性能与更好的电气特性,所用到的封装技术也日益复杂。早年的电源芯片几乎都使用打线封装,但近年来采用覆晶封装的电源芯片已越来越常见。 而为了进一步在单一封装体内实现更高的整合度,很多芯片商已经发展出将主被动元件整合在同一个基板上的封装技术,推出外观看似芯片,实为电源模组(Module)的产品。 在检测部分,科磊(KLA)区域产品行销经理周发业表示,就 SiC 而言,最关键的是晶圆投片生产前的瑕疵检测,因为 SiC 晶圆出现缺陷的机率较高,因此在生产前的晶圆缺陷检测十分关键。GaN 元件的状况则正好相反,GaN 元件最棘手的地方在于,蚀刻制程不能对 GaN 的结构造成损伤,否则会对元件可靠度造成负面影响。因此,针对 GaN 元件,检测重点在蚀刻加工后的检测。 至于在蚀刻部分,住程科技(SPTS)系统副总裁 Dave Thomas 认为,SiC 蚀刻最具挑战性的地方在于如何加快蚀刻的速度,以及加工的终点侦测。由于 SiC 的硬度相当高,要对此材料进行快速蚀刻是比较困难的。另外,因为 SiC 元件的电晶体未来都会采用沟槽式结构,这意味着加工的终点会在盲区,要透过终点侦测把蚀刻深度控制得恰到好处,也是相对挑战的任务。 而在 GaN 的蚀刻方面,诚如周发业所言,GaN 层对蚀刻制程所造成的损伤相当敏感,故在蚀刻过程中,必须放慢速度,小心翼翼地进行。目前 SPTS 已经能做到将反应炉控制在电浆即将消失的极限条件,藉此把蚀刻速度放到最慢,以尽可能避免对元件结构造成损伤。 END 来源:化合物半导体市场 版权归原作者所有,如有侵权,请联系删除。 ▍ 推荐阅读 资深工程师分享7种常见二极管应用电路解析 34个动控制原理图,老电工看了都说好! 学EMC避不开的10大经典问题 免责声明:本文内容由21ic获得授权后发布,版权归原作者所有,本平台仅提供信息存储服务。文章仅代表作者个人观点,不代表本平台立场,如有问题,请联系我们,谢谢!

    时间:2021-02-20 关键词: 碳化硅 氮化镓

  • 宜普电源转换公司(EPC)在全数字国际消费电子展(CES®)展示基于氮化镓技术的消费电子应用

    宜普电源转换公司(EPC)在全数字国际消费电子展(CES®)展示基于氮化镓技术的消费电子应用

    欢迎您与氮化镓(GaN)技术专家一起在CES的EPC虚拟展台中,探索基于更高效、更小尺寸和更低成本的氮化镓场效应晶体管和集成电路的解决方案,如何增强消费电子产品的功能和性能。 宜普电源转换公司(EPC)宣布在1月11日至14日举行的全数字国际消费电子展(CES)展示其eGaN®技术如何改变了消费电子应用的游戏规则并提高产品性能,包括全自动驾驶汽车、电动交通、无人机、机器人和48 V功率转换等应用。 全自动驾驶汽车 激光雷达技术已成为领先的技术,可以充当全自动驾驶汽车和用于自动移动机器人、完成最后一英里交付的飞行时间(ToF)系统的“眼睛”。氮化镓器件使得这些基于激光的系统能够看到更远、更快且具有更高的分辨率。 电动交通 踏板车和电动自行车的迅速发展为充电器和紧凑型电机驱动器打造全新的市场。 由于氮化镓场效应晶体管(eGaN FET)和集成电路具备高效率、小尺寸和不昂贵等优势,因此成为这些应用的理想器件。 无人机和机器人 氮化镓场效应晶体管(eGaN FET)和集成电路为无人机、机器人或协作机器人中的多个系统提供具备最高效、最轻巧和最高可靠性的解决方案。在这些应用中,氮化镓器件可以实现更小且更轻的电机驱动器、具备更高分辨率的飞行时间(ToF)、可延长电池寿命的更高效48 V功率转换,以及无线充电。

    时间:2021-01-07 关键词: 宜普电源转换公司 CES 氮化镓

  • 采用氮化镓场效应晶体管(eGaN®FET)实现薄型且高效的同步降压转换器

    采用氮化镓场效应晶体管(eGaN®FET)实现薄型且高效的同步降压转换器

    随着计算机、显示器、智能电话和其它消费类电子系统变得越来越纤薄且功能越来越强大,对更纤薄的DC/DC功率解决方案的需求日益增长之同时,需要保持高功率密度和高效率。同步降压转换器是DC/DC降压功率转换的最受欢迎的拓扑之一,因为它简单、易于控制且低成本。本文介绍采用同步降压拓扑的超薄型功率解决方案所面对的设计挑战和权衡。我们采用氮化镓场效应晶体管并添加简单的散热器,设计6.5 mm、44~60 V转到20 V、12.5 A输出电流、250 W的同步降压转换器,其上升温度低于40°C和满载效率为98.2%。 面向消费类电子产品的薄型DC/DC功率解决方案的设计挑战和权衡 实现更纤薄的DC/DC降压转换器的瓶颈主要在于无源元件。通常在输入和输出端需要使用大型电容器,以减少电压纹波并满足瞬态响应的规范。 在某些情况下,磁性元件可以被嵌入或沉入电路板中,从而减小解决方案的厚度。 增加开关频率是缩小转换器中无源元件的尺寸的最有效方法之一。 它不仅减小元件的高度、增加功率密度,而且实现更高的控制环路带宽和更快的瞬态响应。 但是,开关损耗和与AC有关的损耗会随着开关频率而增加,从而降低效率并增加散出的热量 。对于笔记本电脑、平板电脑和智能手机,表面温度是一个关键、直观的性能指标,而且通常只有很少或甚至没有强制空气进行冷却,因此高功率效率和良好的散热管理是最为重要的。 与同步降压转换器相比,在相同的开关频率下,先进拓扑诸如开关电容转换器、多电平转换器、LLC拓扑谐振转换器和ZVS降压转换器都具有更低的开关损耗,但其设计更为复杂,在此不再赘述。要实现薄型功率解决方案,低成本的同步降压转换器要面对的权衡是薄型元件、具有高功率密度、高效和良好的散热性能。然而,具有优越品质因数(FOM)的氮化镓场效应晶体管 (eGaN FET)在高频时可以有机会实现更低的功耗。因此,要实现薄型功率解决方案,基于GaN FET的同步降压转换器值得我们去探究。 采用GaN FET让同步降压转换器变得更纤薄 基于GaN FET的同步降压转换器的电路原理图如图1所示。对于44~60 V转到20 V、12.5 A输出电流的功率级,我们选择导通电阻为3.2 mΩ的100 V 氮化镓场效应晶体管(EPC2218),并且采用具有高驱动强度的uPI1966A栅极驱动器来驱动各个FET。由于栅极驱动器的内部自举二极管会将高侧栅极驱动电压降至4.6 ~ 4.7 V,因此添加了同步自举电路,从而确保高侧GaN FET的栅极驱动电压为4.9 V。我们采用数字控制,可实现低于10 ns的死区时间和开发控制电路的灵活性。此外, 最大限度地缩减死区时间而同时确保没有直通,有助于降低功耗。 最后,采用两个小型板载开关电源电路,分别用于为栅极驱动器和数字控制器生成5 V和3.1 V的内部电压。 图1. 基于氮化镓场效应晶体管(eGaN FET)的同步降压转换器的简化电路原理图。 如上所述,所选的开关频率决定输出电感器的高度,而电感器是同步降压转换器中的最高元件,并须考虑其对效率和散热性能的影响和必须取得平衡。在400 kHz对转换器的开关频率进行优化,以足够高的开关频率才可以使用6.5 mm高、4.8 µH的电感器并同时保持低开关损耗,从而保持整体高效和良好的散热性能。 为了使电感器更纤薄,可将开关频率提高到800 kHz,就可以使用3.5 mm高、2.4 µH的电感器,但是功耗和上升温度将因此而更高。 散热管理对于确保器件正确和可靠地运行非常重要。由于eGaN FET采用晶圆级芯片级封装(WLCSP),因此易于冷却。添加散热片或散热器可以显着降低转换器的表面温度。为了添加散热片或散热器,电路板的设计备有三个机械垫片,可容纳M2*0.4 mm螺纹螺钉和可轻松地安装散热片/散热器,如图3所示。只需热界面材料(TIM)、定制形状的散热器/散热器和带有露出的导体(例如电容器、电阻器和螺钉)的元件的绝缘薄层。图2展示出如何安装散热片。 具有较高导热性的热界面材料可以实现较高的散热性能 。热界面材料在安装散热器时被压缩并在FET上施加应力。建议最大压缩率为2:1以实现最佳的散热性能,并需限制可最大化热机械可靠性的机械力。由于eGaN FET的背面连接到电源电位,因此上方的FET将连接到开关节点。 因此,热界面材料必须绝缘以防止上方的FET因为接地而发生短路。我们采用的热界面材料是t-Global的500 µm TG-X。 图2. 如何安组装散热片的示意图。 实验结果 图3所示的同步降压转换器EPC9153带有散热片以验证设计。由于使用数字控制器,因此无需更新任何额外硬件,即可改变开关频率和输出电感器。以上提到的两个电感器都将在转换器中试用。 图3. 采用6.5 mm电感器、44~60 V转到20 V、250 W的同步降压转换器。左图没有安装散热器,右图安装了散热器。 使用4.8 µH电感器时,元件厚度为6.5 mm。从图4展示在12.5 A输出电流时的开关节点电压VSW波形图,我们可以看到开关是快速且干净的。图5和图6分别显示在不同输入电压和20 V输出,以及在不同输出电压和48 V输入下工作的同步降压转换器的整体功效和功耗。 图4. 在12.5 A输出电流时的开关节点电压VSW波形图。 图5. 整个系统效率,包括20 V输出和不同输入电压下的内部管理功耗。 图6. 整个系统效率,包括在48 V输入和不同输出电压下的内部管理功耗。 图7展示转换器在带有散热片和没有强制风冷的情况下,56 V转到20 V、12.5 A输出电流时的热图像。温度仅上升了37°C。 可以看出,在更高的上升温度或强制通风的情况下,FET能够承载更大的电流。 图7. 工作在56 V~20 V,输出电流为12.5 A、安装了散热片且没有强制空气的同步降压转换器的热像图,其散热状态稳定。 在800 kHz开关频率时,元件高度减小为3.5 mm,而且功率密度也因电路面积小很多而增加,如图8所示。但是,满载效率降低到96.4%和安装散热片后的温度上升到60°C。为了进行比较,在使用相同电感器的情况下,三电平转换器可以提高满载效率达97.8%。 图8. 安装了3.5 mm电感器和散热片的44~60 V转到20 V、250 W的同步降压转换器的照片。 结论 面向薄型DC/DC功率解决方案,我们设计了基于氮化镓场效应晶体管(eGaN FET)、44~60 V转到20 V并具有12.5 A输出电流的同步降压转换器。如果使用6.5 mm电感器,可实现98.2%的峰值效率和低于40°C的温升。如果使用3.5 mm电感器,可用增加功率密度,但会降低效率和使升温进一步升高。在这两种情况下,都可以将电感器嵌入/沉入PCB中,从而进一步减小电路板的整体厚度。 eGaN FET具备快速开关的优势,可提高整体效率,而且它采用晶圆级芯片级封装,使其易于冷却和减少升温。

    时间:2020-11-23 关键词: 晶体管 同步降压转换器 氮化镓

  • 第三代半导体氮化镓功率芯片研发成功

    第三代半导体氮化镓功率芯片研发成功

    据昨日报道,我国成功研发第三代半导体氮化镓功率芯片,该芯片实验室来自重庆邮电大学。 据重庆邮电大学光电工程学院副教授黄义表示,第三代半导体氮化镓功率芯片主要应用在汽车电子、消费电源、数据中心等方面,其具备体积小、效率高、用电量少等特点。 并且这款功率半导体芯片电量能节省10%以上,面积是硅芯片的1/5左右,开关速度提升10倍以上。 目前,该项目已经到了试验性应用阶段,未来有望在各种电源节能领域和大数据中心使用。 值得注意的是,由重庆邮电大学规划的重庆集成电路设计创新孵化中心已入驻西部(重庆)科学城。 该中心将着力建设重庆市集成电路公共设计、测试分析、半导体工艺等为一体集成电路中试平台,结合重庆市新兴产业需求,提供低成本、高效率的集成电路公共服务与专业技术支持;孵化一批人工智能芯片、公共安全专用芯片、化合物半导体芯片等方向的高端科技成果及高科技企业。

    时间:2020-11-17 关键词: 半导体 功率芯片 氮化镓

  • 采用氮化镓场效应晶体管(eGaN®FET)实现薄型且高效的同步降压转换器

    采用氮化镓场效应晶体管(eGaN®FET)实现薄型且高效的同步降压转换器

    随着计算机、显示器、智能电话和其它消费类电子系统变得越来越纤薄且功能越来越强大,对更纤薄的DC/DC功率解决方案的需求日益增长之同时,需要保持高功率密度和高效率。同步降压转换器是DC/DC降压功率转换的最受欢迎的拓扑之一,因为它简单、易于控制且低成本。本文介绍采用同步降压拓扑的超薄型功率解决方案所面对的设计挑战和权衡。我们采用氮化镓场效应晶体管并添加简单的散热器,设计6.5 mm、44~60 V转到20 V、12.5 A输出电流、250 W的同步降压转换器,其上升温度低于40°C和满载效率为98.2%。 面向消费类电子产品的薄型DC/DC功率解决方案的设计挑战和权衡 实现更纤薄的DC/DC降压转换器的瓶颈主要在于无源元件。通常在输入和输出端需要使用大型电容器,以减少电压纹波并满足瞬态响应的规范。 在某些情况下,磁性元件可以被嵌入或沉入电路板中,从而减小解决方案的厚度。 增加开关频率是缩小转换器中无源元件的尺寸的最有效方法之一。它不仅减小元件的高度、增加功率密度,而且实现更高的控制环路带宽和更快的瞬态响应。 但是,开关损耗和与AC有关的损耗会随着开关频率而增加,从而降低效率并增加散出的热量 。对于笔记本电脑、平板电脑和智能手机,表面温度是一个关键、直观的性能指标,而且通常只有很少或甚至没有强制空气进行冷却,因此高功率效率和良好的散热管理是最为重要的。 与同步降压转换器相比,在相同的开关频率下,先进拓扑诸如开关电容转换器、多电平转换器、LLC拓扑谐振转换器和ZVS降压转换器都具有更低的开关损耗,但其设计更为复杂,在此不再赘述。要实现薄型功率解决方案,低成本的同步降压转换器要面对的权衡是薄型元件、具有高功率密度、高效和良好的散热性能。然而,具有优越品质因数(FOM)的氮化镓场效应晶体管 (eGaN FET)在高频时[5]可以有机会实现更低的功耗。因此,要实现薄型功率解决方案,基于GaN FET的同步降压转换器值得我们去探究。 采用GaN FET让同步降压转换器变得更纤薄 基于GaN FET的同步降压转换器的电路原理图如图1所示。对于44~60 V转到20 V、12.5 A输出电流的功率级,我们选择导通电阻为3.2 mΩ的100 V 氮化镓场效应晶体管(EPC2218),并且采用具有高驱动强度的uPI1966A栅极驱动器来驱动各个FET。由于栅极驱动器的内部自举二极管会将高侧栅极驱动电压降至4.6 ~ 4.7 V,因此添加了同步自举电路,从而确保高侧GaN FET的栅极驱动电压为4.9 V。我们采用数字控制,可实现低于10 ns的死区时间和开发控制电路的灵活性。此外, 最大限度地缩减死区时间而同时确保没有直通,有助于降低功耗。 最后,采用两个小型板载开关电源电路,分别用于为栅极驱动器和数字控制器生成5 V和3.1 V的内部电压。 图1. 基于氮化镓场效应晶体管(eGaN FET)的同步降压转换器的简化电路原理图。 如上所述,所选的开关频率决定输出电感器的高度,而电感器是同步降压转换器中的最高元件,并须考虑其对效率和散热性能的影响和必须取得平衡。在400 kHz对转换器的开关频率进行优化,以足够高的开关频率才可以使用6.5 mm高、4.8 µH的电感器并同时保持低开关损耗,从而保持整体高效和良好的散热性能。 为了使电感器更纤薄,可将开关频率提高到800 kHz,就可以使用3.5 mm高、2.4 µH的电感器,但是功耗和上升温度将因此而更高。 散热管理对于确保器件正确和可靠地运行非常重要。由于eGaN FET采用晶圆级芯片级封装(WLCSP),因此易于冷却。添加散热片或散热器可以显着降低转换器的表面温度。为了添加散热片或散热器,电路板的设计备有三个机械垫片,可容纳M2*0.4 mm螺纹螺钉和可轻松地安装散热片/散热器,如图3所示。只需热界面材料(TIM)、定制形状的散热器/散热器和带有露出的导体(例如电容器、电阻器和螺钉)的元件的绝缘薄层。图2展示出如何安装散热片。 具有较高导热性的热界面材料可以实现较高的散热性能 。热界面材料在安装散热器时被压缩并在FET上施加应力。建议最大压缩率为2:1以实现最佳的散热性能,并需限制可最大化热机械可靠性的机械力。由于eGaN FET的背面连接到电源电位,因此上方的FET将连接到开关节点。 因此,热界面材料必须绝缘以防止上方的FET因为接地而发生短路。我们采用的热界面材料是t-Global的500 µm TG-X。 图2. 如何安组装散热片的示意图。 实验结果 图3所示的同步降压转换器EPC9153带有散热片以验证设计。由于使用数字控制器,因此无需更新任何额外硬件,即可改变开关频率和输出电感器。以上提到的两个电感器都将在转换器中试用。 图3. 采用6.5 mm电感器、44~60 V转到20 V、250 W的同步降压转换器。 左图没有安装散热器,右图安装了散热器。 使用4.8 µH电感器时,元件厚度为6.5 mm。从图4展示在12.5 A输出电流时的开关节点电压VSW波形图,我们可以看到开关是快速且干净的。图5和图6分别显示在不同输入电压和20 V输出,以及在不同输出电压和48 V输入下工作的同步降压转换器的整体功效和功耗。 图4. 在12.5 A输出电流时的开关节点电压VSW波形图。 图5. 整个系统效率,包括20 V输出和不同输入电压下的内部管理功耗。 图6. 整个系统效率,包括在48 V输入和不同输出电压下的内部管理功耗。 图7展示转换器在带有散热片和没有强制风冷的情况下,56 V转到20 V、12.5 A输出电流时的热图像。温度仅上升了37°C。 可以看出,在更高的上升温度或强制通风的情况下,FET能够承载更大的电流。 图7. 工作在56 V~20 V,输出电流为12.5 A、安装了散热片且没有强制空气 的同步降压转换器的热像图,其散热状态稳定。 在800 kHz开关频率时,元件高度减小为3.5 mm,而且功率密度也因电路面积小很多而增加,如图8所示。但是,满载效率降低到96.4%和安装散热片后的温度上升到60°C。为了进行比较,在使用相同电感器的情况下,三电平转换器可以提高满载效率达97.8%。 图8. 安装了3.5 mm电感器和散热片的44~60 V转到20 V、250 W的同步降压转换器的照片。 结论 面向薄型DC/DC功率解决方案,我们设计了基于氮化镓场效应晶体管(eGaN FET)、44~60 V转到20 V并具有12.5 A输出电流的同步降压转换器。如果使用6.5 mm电感器,可实现98.2%的峰值效率和低于40°C的温升。如果使用3.5 mm电感器,可用增加功率密度,但会降低效率和使升温进一步升高。在这两种情况下,都可以将电感器嵌入/沉入PCB中,从而进一步减小电路板的整体厚度。 eGaN FET具备快速开关的优势,可提高整体效率,而且它采用晶圆级芯片级封装,使其易于冷却和减少升温。

    时间:2020-11-16 关键词: 晶体管 同步降压转换器 氮化镓

  • 一系列采用新一代H2技术的全新高压氮化镓场效应管解析

    一系列采用新一代H2技术的全新高压氮化镓场效应管解析

    随着全球多样化的发展,我们的生活也在不断变化着,包括我们接触的各种各样的电子产品,那么你一定不知道这些产品的一些组成,比如氮化镓场效应管。 半导体基础元器件生产领域的高产能生产专家Nexperia宣布推出一系列采用新一代H2技术的全新高压氮化镓场效应管。新器件包含两种封装,TO-247 和Nexperia专有的CCPAK。两者均实现了更出色的开关和导通性能,并具有更好的稳定性。由于采用了级联结构并优化了器件相关参数,Nexperia的氮化镓场效应管无需复杂的驱动和控制,应用设计大为简化;使用标准的硅MOSFET 驱动器也可以很容易地驱动它们。 氮化镓被誉为最新一代的半导体材料,发展和应用的潜力巨大。氮化镓比硅禁带宽度大3倍,击穿场强高10倍,饱和电子迁移速度大3倍,热导率高2倍。这些性能提升带来的一些优势就是氮化镓比硅更适合做大功率高频的功率器件,同时体积还更小,功率密度还更大。 新的氮化镓技术采用了贯穿外延层的过孔,减少了缺陷并且芯片尺寸可缩小约24%。TO-247 封装的新器件,导通电阻RDS(on)降低到仅 41mΩ(最大值,25℃的典型值为 35mΩ),同时具有高的栅级阀值电压和低反向导通电压。CCPAK封装的新器件,将导通电阻值进一步降低到39mΩ(最大值,25℃的典型值为 33mΩ)。两种封装的新器件均符合 AEC-Q101 标准,可满足汽车应用的要求。 一个更加直观的例子是,假如所有电器都换成氮化镓材质,整体用电量将会减少20%。 Nexperia氮化镓战略营销总监 Dilder Chowdhury表示:“客户需要导通电阻RDS(on)为30~40mΩ的650V新器件,以便实现经济高效的高功率转换。相关的应用包括电动汽车的车载充电器、高压DC-DC直流转换器和发动机牵引逆变器; 以及1.5~5kW钛金级的工业电源,比如:机架装配的电信设备、5G设备和数据中心相关设备。Nexperia持续投资氮化镓开发,并采用新技术扩充产品组合。首先为功率模块制造商提供了传统的 TO-247封装器件和裸芯片,并随后提供我们高性能的CCPAK 贴片封装的器件。” 但是氮化镓不同于硅等前代半导体材料,它不存在于自然界中,只能通过人工合成,研发及商用成本更高,一片五厘米大小的氮化镓片售价就超过了2万元。 Nexperia 的 CCPAK贴片封装采用了创新的铜夹片封装技术来代替内部的封装引线。这样可以减少寄生损耗,优化电气和热性能,并提高可靠性。CCPAK封装的氮化镓器件提供顶部或底部散热两种配置,使其更通用,并有助于进一步改善散热。 在研究设计过程中,一定会有这样或着那样的问题,这就需要我们的科研工作者在设计过程中不断总结经验,这样才能促进产品的不断革新。

    时间:2020-11-15 关键词: 数据中心 nexperia 氮化镓

  • 值得了解的适合智能照明应用的新器件LYT6078C解析

    值得了解的适合智能照明应用的新器件LYT6078C解析

    随着全球多样化的发展,我们的生活也在不断变化着,包括我们接触的各种各样的电子产品,那么你一定不知道这些产品的一些组成,比如隔离型LED驱动器IC。 (BUSINESS WIRE)-- 高效率、高可靠性LED驱动器IC领域的知名公司Power Integrations(纳斯达克股票代号:POWI)今日推出LYTSwitch™-6系列安全隔离型LED驱动器IC的最新成员 —— 适合智能照明应用的新器件LYT6078C。这款新的LYTSwitch-6 IC采用了Power IntegraTIons的PowiGaN™氮化镓(GaN)技术,在该公司今天同时发布的新设计范例报告(DER-920)中,展现了其出色的效率和性能优势。 通用芯片一般用于LED电子屏的低端产品,如户内的单、双色LED显示屏等。最常用的通用芯片是74HC595,具有8位锁存、串——并移位寄存器和三态输出成效。每路最大可输出35 mA的电流(不是恒流)。一般IC厂家都可出产此类芯片。 基于PowiGaN的LYT6078C IC集成了一个750V功率开关,可提供高达90W的无闪烁输出,同系列的其他器件可提供高达110W的无闪烁输出。包括PFC级和LYTSwitch-6 LED驱动器在内,系统效率超过90%。LYTSwitch-6 IC采用微型InSOP-24表面贴装封装,具备先进的热折返系统保护特性,在异常情况下,该器件可降低输出功率以限制器件温度,同时仍可提供照明输出。LYTSwitch-6 IC还采用了Power IntegraTIons的FluxLink™通信技术,无需光耦即可实现次级侧控制,并在各种输入电压、负载、温度和生产条件下提供优于±3%的恒压和恒流控制精度。所有LYTSwitch-6 IC均具备快速的动态响应性能,并轻松支持脉宽调制(PWM)调光。 用于全彩屏的专用芯片,因为LED是电流特征器件,即在饱满导通的前提下,其亮度跟着电流大小的改动而改动,不是跟着其两头电压的改动而改动。因此,专用芯片的一个最大特征是供给恒流源。恒流源可保证LED的安靖驱动,消除LED的闪烁表象。 LYT6078C的性能优势在新的设计报告(DER-920)中得到了充分体现,该报告详细介绍了使用PFC升压级外加隔离反激拓扑级的两级可调光LED镇流器设计。该镇流器采用LYTSwitch-6 系列的LYT6078C IC和Power IntegraTIons的HiperPFSTM-4 系列的PFS7624C PFC控制器。在220至277VAC的输入电压范围、以1350mA电流驱动48V LED灯串的情况下,峰值效率超过91%。在待机模式下,系统功耗低于80mW,这为工程师在设计照明控件(尤其是对于有调光至完全熄灭状态的应用)时提供了极大的灵活性。 LED电子屏专用芯片具有输出电流大、恒流等基础特征,实用于大电流、画质高的场所,如户外全彩屏、室内全彩屏等。 LED照明产品营销总监Hubie Notohamiprodjo表示:“Power IntegraTIons基于PowiGaN的新款LYTSwitch-6 IC为照明制造商节省了智能照明电源的空间和系统成本。我们最新的设计报告表明,公司方案能够满足高功率因数、低谐波分量、高效率,以及零至100%输出电流的三合一调光的主要设计指标要求。新款LYT6078C驱动器IC与现有的HiperPFS-4 PFC控制器相结合,可轻松应对这些挑战。” 在研究设计过程中,一定会有这样或着那样的问题,这就需要我们的科研工作者在设计过程中不断总结经验,这样才能促进产品的不断革新。

    时间:2020-11-14 关键词: power 镇流器 氮化镓

  • 从首款600V氮化镓(GaN)功率器件来谈氮化镓技术

    从首款600V氮化镓(GaN)功率器件来谈氮化镓技术

    随着社会的发展,电子产品也在不断更新,那就需要更好的电子元器件技术,其中越来越流行的就包括氮化镓技术,那么你知道什么是氮化镓吗? 氮化镓到底是什么,又有什么优势,可以将大功率的充电器,体积缩小到如此之低呢? 两年多前,德州仪器宣布推出首款600V氮化镓(GaN)功率器件。该器件不仅为工程师提供了功率密度和效率,且易于设计,带集成栅极驱动和稳健的器件保护。从那时起,我们就致力于利用这项尖端技术将功率级尽可能提高(和降低)。 氮化镓被誉为最新一代的半导体材料,发展和应用的潜力巨大。氮化镓比硅禁带宽度大3倍,击穿场强高10倍,饱和电子迁移速度大3倍,热导率高2倍。这些性能提升带来的一些优势就是氮化镓比硅更适合做大功率高频的功率器件,同时体积还更小,功率密度还更大。 氮化镓在任何功率级别都很关键。工程师正努力提高切换速度、效率和可靠性,同时减小尺寸、重量和元件数量。从历来经验来看,您必须至少对其中的部分因素进行权衡,但德州仪器正通过所有这些优势实现设计,同时通过在一个封装中进行复杂集成来节省系统级成本,并减少电路板元件数量。从将PC适配器的尺寸减半,到为并网应用创建高效、紧凑的10 kW转换,德州仪器为您的设计提供了氮化镓解决方案。LMG3410和LMG3411系列产品的额定电压为600 V,提供从低功率适配器到超过2 kW设计的各类解决方案。 其中蓝宝石氮化镓只能用来做LED;而硅基氮化镓可以做功率器件和小功率的射频;碳化硅氮化镓可以制造大功率LED、功率器件和大功率射频芯片。这次小米发售的快充头,就是硅基氮化镓做的功率器件的一个典型应用场景。 通过导通电阻选择器件 内部氮化镓场效应晶体管(FET)的额定值为RDS(on) - 漏极-源极或导通电阻——其在功率转换器的开关和传导损耗中起着重要作用。这些损失会影响系统级效率及散热和冷却方法。因此,通常来讲,RDS(on)额定值越低,可实现的功率水平越高,同时仍保持高效率。但是更高的RDS(on)可能更合适一些应用或拓扑。 一个更加直观的例子是,假如所有电器都换成氮化镓材质,整体用电量将会减少20%。 以上就是支持瓦特到千瓦级应用的氮化镓技术的详细解析,希望通过阅读本文,能让大家对支持瓦特到千瓦级应用的氮化镓技术有了初步的认识,方便大家进一步的学习。

    时间:2020-11-07 关键词: 德州仪器 功率器件 氮化镓

  • 随着器件功耗的增加,氮化镓技术正走向成熟

    随着器件功耗的增加,氮化镓技术正走向成熟

    随着技术的发展,对功率的需求也在增加。氮化镓(GaN)等宽禁带(WBG)材料逐渐彰显其作为新一代功率半导体骨干材料的潜力。这类材料功耗更低,性能却优于那些已趋成熟的硅器件。消费类充电器、数据中心、5G和电动汽车等应用代表着功率器件主要的增长市场,它们对器件有着相同的需求:更小的尺寸、更大的功率、更低的损耗。 化合物半导体材料氮化镓可满足所有这些需求,这将是其在未来几年得以重用的关键所在。与硅相比,氮化镓有着更出色的开关性能,开关过程中损失的热量更少,在较高的温度下能更稳定地工作,使工程师能够制造更紧凑、更快速、更可靠的器件,同时减少对器件制冷的要求。 功率需求 · 智能手机 智能手机需要更大的功率、更快的速度,来运行更多的应用程序。目前,手机的电池续航几乎无法维持一天。此外,标准的5瓦充电器充电速度较慢。智能手机生产商开始意识到消费者对快速充电的需求,并准备推出新一代的大功率充电器,提供高达65瓦的功率,能大幅缩短充电时间。使用基于氮化镓的高电子迁移率晶体管(HEMT)可将充电器的尺寸缩小一半,同时将功率提高到3倍,运行速度是硅基超结金属氧化物半导体场效应晶体管(SJMOSRET)的20倍。 · 数据中心 随着云计算、移动出行、物联网、机器学习和流媒体服务的发展,对大数据存储与计算处理的需求也大幅增加。目前,全球有700多万个数据中心在运行,耗电量超过200太瓦。这相当于2019年全球约2%的用电量,而产生的二氧化碳排放量则与全球航空业相当。在这其中,大约30%的电力用于这些设施的冷却。通过提高服务器效率,减少功率和热量损耗,可以节省大量能源,从而降低电力成本,同时减少这些设施的二氧化碳排放量。 服务器电源由一个功率因数校正(PFC)级(例如推挽电路)和一个谐振DC-DC级(LLC谐振转换器)组成,输出电压通常为12伏。不过由于高功率 CPU和专用GPU耗电更高,因此目前的趋势是向48伏电源发展。此外,更高的电压可将输电线路上的功耗最高减少到原来的十六分之一。氮化镓技术可以让转换器的每一级都受益(图1)。对于功率因数校正级,其低电容和零反向恢复可以允许配置一个简单的推挽电路;而对于 LLC转换器级,更快的开关速度和较少损耗,让磁体和电容都可以缩小。更精准的同步整流因为停滞时间缩减,从而让氮化镓达到减少功率消耗的效果。 图1.与现有的MOSFET设计相比,氮化镓晶体管可以大幅提高服务器主板的功率密度。(资料来源:GaN Systems,2020) · 电动汽车车载充电器 电动汽车的迅猛发展,导致市场对更快的充电速度和更高的充电效率的需求也在增加。1996年,通用汽车公司发布了EV1电动汽车,采用16.5千瓦铅酸电池。该车的续航里程为70—90英里,充满电需要7.5小时。如今,特斯拉Model 3配备的是80千瓦锂离子电池,续航里程为310英里,使用特斯拉的V3超级充电桩,充满电只需35分钟。 车载充电器(OBC)布置在车内,通过电源转换对电池进行充电。它必须做到高效、轻便、可靠。目前常用的解决方案包括使用硅基超结金属氧化物半导体场效应晶体管(SJMOSFET)来调节、转换并向电池充电。它的尺寸大约为18英寸×25英寸,重量大概13磅,能效约为94%。 新一代车载充电器将使用基于氮化镓的高电子迁移率晶体管(HEMT)取代 SJMOSFET,前者开关频率更高,从而可以缩小车载充电器中磁体、电容器和散热片的尺寸。这使整个车载充电器的尺寸和重量减少30—40%,而能效可接近97%。 不断增长的氮化镓市场 以往,氮化镓电源市场主要是在小众应用领域。但在去年,使用氮化镓技术的智能手机快速充电器(>28瓦)已经问世。更小的尺寸、更高的效率和性价比,使其在手机以及笔记本电脑应用中备受青睐。氮化镓的主要应用是开关电源(SMPS),因为它可满足快速开关和高效率的需求。便携电源适配器(<100瓦)、服务器电源、车载充电器和无线充电预计是其主要的增长领域。我们看到,氮化镓技术开始在便携电源适配器中加速使用,一旦该技术在这一领域获得成功,我们预计它将会在更高功率、更为关键的一些应用领域得到应用,例如:汽车和数据中心市场(图2)。 图2.氮化镓在电动汽车领域的应用取决于市场对其可靠性的信赖 ;氮化镓的市场化应用从消费类充电器的发展开始,并需要在大规模量产中持续进行工艺改进。(资料来源:© 2019 IHS Markit) 然而,硅材料尚未过时。SJMOSFET在市场上占据主导地位,仍是上述领域的首选技术。一方面,硅技术已非常成熟和可靠,而且还将进一步发展。另一方面,设计师们在此类器件上积攒了多年经验。综上,不同的技术对应不同的细分市场,具体取决于系统的复杂程度。 如今,氮化镓正与用于开关电源的SJMOSFET、不间断电源的高速绝缘栅双极晶体管(IGBT)、电信领域的中压MOSFET以及用于服务器负载点稳压器和同步整流的低压MOSFET竞争。由于这些市场对价格极其敏感,氮化镓预计将首先在高端领域推出(图3)。 图3.氮化镓适用于高频电源,而碳化硅则适用于要求更高功率和鲁棒性的应用,例如电机驱动和工业电源。随着宽禁带器件在市场上的地位越来越稳固,在技术采用上将变得更加明确。(资料来源 :Yole Développement) 氮化镓器件制造考虑因素 制造氮化镓 HEMT 所涉及的每一道工序都必须非常精确,以获得最佳的器件性能和可靠性。宽禁带器件的快速开关、高功率密度和高电压击穿,要求极高质量的外延层和电介质沉积,以及精确的刻蚀和金属沉积。 · 金属有机化学气相沉积(MOCVD) MOCVD在衬底上生长各种外延层,对氮化镓器件的制造至关重要。缺陷密度、晶圆内均匀性和晶圆到晶圆的可重复性是MOCVD开发的关键考虑因素,特别是过渡到200mm时。鉴于氮化镓和硅在膨胀过程中不同的晶格常数和热系数,在硅上生长外延氮化镓以形成稳定可靠的HEMT,从超晶格结构和应力控制方面来说是一个非常具有挑战性的工艺。 · 刻蚀 刻蚀是制造氮化镓器件的关键工艺。其中存在两个明显的难题:一个是氮化镓/铝镓氮的高选择比;另一个是p型氮化镓刻蚀可能存在铝镓氮的过度刻蚀,导致表面粗糙,从而降低表面电阻。此外,带有凹陷栅极的HEMT需要一定的铝镓氮厚度,这一厚度必须是精确控制且高度可重复的。原子层精度和先进的工艺终点监测至关重要。 · 化学气相沉积(CVD) 氮化镓HEMT结构通常具有多层场板,以最大限度减少栅极与漏极接触处的电压峰值应力和动态RDS(on)。二氧化硅和氮化硅等薄膜用作电介质层,这些薄膜必须足够优质,以求最大限度减少薄膜污染,减少高温下的热降解,改善薄膜化学计量比。此外,必须控制薄膜应力以避免晶圆弯曲,这可以通过调整射频功率和其他工艺参数来实现。 氮化硅的表面钝化已被证明可以产生更高的载流子浓度,以便改善二维电子气的电导率,提高器件性能。三氧化二铝等替代材料通过原子层沉积来提高器件性能。 · 物理气相沉积(PVD)和电镀 氮化镓 HEMT 是横向器件,具有非常高的电流密度,因此大部分损耗发生在晶粒顶部。在普通的分立封装中,晶粒的底部会连接到铜引线框架上。然而,硅衬底的导热系数相对较低,这导致器件的工作结温较高。过于接近最大结温工作会对可靠性和温度相关特性产生不利影响,例如:RDS(ON)。因此,使热传导远离晶粒是至关重要的。降低欧姆接触电阻的离子注入技术有助于改善散热。此外,在晶粒顶部沉积厚铜可提高热容量和热导率,有利于烧结铜引线框架和夹线。这提高了功率循环的可靠性,并显著降低了因热膨胀系数不匹配而产生的机械应力。 结论 随着能源需求的增加,对更高能效的追求正促使人们对氮化镓产生越来越大的兴趣,希望将其作为硅基半导体的替代材料,出现在适配器、5G、数据中心和电动汽车充电器等高功率、高效率应用中。然而,制造氮化镓器件需要极高质量的薄膜以及极其精密的外延、电介质和金属沉积以及刻蚀等工艺。在2019之前,氮化镓的市场非常有限,不过现在来看,氮化镓已在便携电源适配器应用中占据了一席之地,一旦该技术的可靠性得到确切验证,汽车和数据中心的应用有望随之而来。

    时间:2020-11-03 关键词: 功耗 gan 氮化镓

  • InnoSwitch IC销量突破10亿颗! Power Integrations继续保持良好势头

    最新的氮化镓器件可提供高达100W的功率,并支持从USB PD适配器到家电辅助电源的应用 深耕于高压集成电路高能效功率转换领域的知名公司Power Integrations(纳斯达克股票代号:POWI)近日宣布,突破性的InnoSwitch™系列IC的出货量已超过10亿颗。InnoSwitch产品系列于2014年推出,是第一个采用Power Integrations创新的FluxLink™通信技术的产品,该技术无需光耦即可提供高精度的次级侧控制,从而实现优异的能效、可靠性和耐用性。 InnoSwitch IC(包括于2017年推出的InnoSwitch3产品系列)支持多种电源应用,包括USB PD充电器、消费电子、PC、显示器、服务器、家电、工业设备和汽车。InnoSwitch产品范围已扩展到包括多种子系列: · InnoSwitch3-CP:适合USB PD和其他恒功率应用 · InnoSwitch3-EP:适合大家电和工业电源 · InnoSwitch3-CE:适合物联网以及大电流充电器和适配器应用 · InnoSwitch3-MX:适合多路输出恒压恒流应用,例如显示器 · InnoSwitch3-Pro:具备I2C接口,可对电压和电流进行数字控制 · InnoSwitch3-AQ:已通过汽车级AEC-Q100认证 InnoSwitch器件采用了一系列650V至900V的硅晶体管选项,或者集成了Power Integrations的PowiGaN™ 750V氮化镓(GaN)开关技术,该技术可在无散热片的情况下以95%的效率提供高达100W的功率。 Power Integrations总裁兼首席执行官Balu Balakrishnan 在谈到出货量突破十亿颗的里程碑时表示:“InnoSwitch产品系列确立了功率变换技术的新标准,为电源设计带来了彻底转变。将初级侧控制器和相关的MOSFET与同步整流控制器结合起来的方法既昂贵又复杂,它已经让位于简单、精良、更可靠、更高效且集成度更高的架构。我们很高兴看到市场对InnoSwitch IC的反应,并为出货量超过10亿颗而感到自豪。” InnoSwitch器件体现了Power Integrations的承诺,那就是:在实现技术上行业率先创新的同时,降低能耗并减少电子制造中有害物质的使用。Power Integrations 可使客户轻松满足中国CSCC、ENERGY STAR®和欧洲生态设计指令等能效标准的要求,并符合RoHS和REACH等材料标准。

    时间:2020-10-26 关键词: 硅晶体管 家电辅助电源 氮化镓

  • 你知道200 V 氮化镓产品系列(eGaN®FET)吗?

    你知道200 V 氮化镓产品系列(eGaN®FET)吗?

    什么是200 V 氮化镓产品系列(eGaN®FET)?新一代200 V 氮化镓场效应晶体管(eGaN FET)是48 VOUT同步整流、D类音频放大器、太阳能微型逆变器和功率优化器,以及多电平、高压AC / DC转换器的理想功率器件。 增强型硅基氮化镓(eGaN)功率场效应晶体管和集成电路的全球领导厂商宜普电源转换公司(EPC)最新推出的两款200 V eGaN FET(EPC2215和EPC2207),性能更高而同时成本更低,目前已有供货。采用这些领先氮化镓器件的应用十分广阔,包括D类音频放大器、同步整流器、太阳能最大功率点跟踪器(MPPT)、DC/DC转换器(硬开关和谐振式),以及多电平高压转换器。 EPC2215(8 mΩ、162 Apulsed)和EPC2207(22 mΩ、54 Apulsed)的尺寸比前代200 V eGaN器件大约缩小50%,而性能却倍增。 与基准硅器件相比,这两款氮化镓器件的性能更高。 EPC2215的导通阻抗降低了33%,但尺寸却缩小了15倍。 其栅极电荷(QG)较基准硅MOSFET器件小十倍,并且与所有eGaN FET一样,没有反向恢复电荷(QRR),从而使得D类音频放大器可以实现更低的失真,以及实现更高效的同步整流器和电机驱动器。 Performance comparison of benchmark silicon 200 V FET vs. 200 V eGaN FETs EPC首席执行官兼共同创办人Alex Lidow表示:“最新一代的eGaN FET在具备更高效散热的更小型尺寸内,实现更高的性能,而且其成本与传统MOSFET器件相若。氮化镓器件必然可替代逐渐老化的功率MOSFET器件的趋势日益明显。” EPC公司与得克萨斯大学奥斯汀分校的半导体功率电子中心(SPEC)合作开发了的400 V、2.5 kW、基于eGaN FET、四电平飞跨电容(FCML)图腾柱无桥整流器,适用于数据中心,它使用了最新的200 V 氮化镓场效应晶体管(EPC2215)。 得克萨斯大学奥斯汀分校的Alex Huang教授说:“ 氮化镓场效应晶体管(eGaN FET)的优越特性使得转换器能够实现高功率密度、超高效率和低谐波失真。”以上就是200 V 氮化镓产品系列(eGaN®FET)解析,希望能给大家帮助。

    时间:2020-10-20 关键词: epc eganfet 氮化镓

  • 氮化镓,日本加大力度研究的新一代半导体材料

    氮化镓,日本加大力度研究的新一代半导体材料

    据日本媒体报道,日本经济产业省(METI)加大对新一代低能耗半导体材料“氧化镓”的重视,为致力于开发新材料的企业提供大量财政支持,及METI将为明年留出大约2030万美元去资助相关企业,预计未来5年的资助将超过8560万美元。 经历了日美“广场协定”的日本 在半导体领域的优势已经完全转移到了材料和设备方面,如在硅片方面,日本的几家公司名列前茅,各种用在半导体芯片生产的气体和化合物方面,日本也不遑多让。 最近内国内媒体常提到的EUV光刻方面,虽然日本并没有提供相应光刻机,但他们几乎垄断了全球的EUV光刻胶供应,所以他们看好的半导体材料,是有一定的代表意义的。 在这里,我们来深入了解一下日本看好的这项半导体材料是什么。 1、什么是氧化镓? 氧化镓(Ga2O3)是一种新兴的超宽带隙(UWBG)半导体,拥有4.8eV的超大带隙。作为对比,SiC和GaN的带隙为3.3eV,而硅则仅有1.1eV,那就让这种新材料拥有更高的热稳定性、更高的电压、再加上其能被广泛采用的天然衬底,让开发者可以轻易基于此开发出小型化,高效的大功率晶体管。这也是为什么在以SiC和GaN为代表的宽带隙(WBG)半导体器件方面取得了巨大进步的时候,Ga2O3仍然吸引了开发者的广泛兴趣。 2、Si,SiC,GaN和Ga2O3对比 从器件的角度来看,Ga2O3的Baliga品质因子要比SiC高出二十倍。对于各种应用来说,陶瓷氧化物的带隙约为5eV,远远高于SiC和GaN的带隙,后两者都不到到3.5eV。因此,这种陶瓷氧化物器件可以承受比SiC或GaN器件更高的工作电压,导通电阻也更低。 再从另一个角度看,易于制造的天然衬底,载流子浓度的控制以及固有的热稳定性也推动了Ga2O3器件的发展。相关论文表示,用Si或Sn对Ga2O3进行N型掺杂时,可以实现良好的可控性。尽管某些UWBG半导体(例如AlN,c-BN和金刚石)在BFOM图表中击败了Ga2O3,但它们的广泛使用受到了严格的限制。换而言之,AlN,c-BN和金刚石仍然缺乏高质量外延生长的合适衬底。 相关报道指出,Ga2O3具有五个不同的相态,其中,α相具有与Al2O3或蓝宝石相同的刚玉型晶体结构,这为研究者们在蓝宝石衬底上实现无应力Ga2O3层的沉积的提供了研发思路。 相关统计数据显示,从数据上看,氧化镓的损耗理论上是硅的1/3,000、碳化硅的1/6、氮化镓的1/3。这就让产业界人士对其未来有很高的期待。而成本更是让其成为一个吸引产业关注的另一个重要因素。 3、按步骤划分的Ga2O3衬底制造成本 据市场调查公司-富士经济于2019年6月5日公布的宽禁带功率半导体元件的全球市场预测来看,2030年氧化镓功率元件的市场规模将会达到1,542亿日元(约人民币92.76亿元),这个市场规模要比氮化镓功率元件的1,085亿日元规模还要大。 4、行业的领先厂商 既然这个材料拥有这么领先的性能,自然在全球也有不少的公司投入其中。首先看日本方面,据半导体行业观察了解,京都大学投资的Flosfia、NICT和田村制作所投资的Novel Crystal是最领先的Ga2O3供应商。 相关资料显示,Flosfia成立于2011年3月,由京都大学研究人员Toshimi Hitora,Shizuo Fujita和Kentaro Kaneko共同创立,不同于世界其他地区对GaN或SiC外延生长的方法研究,Flosfia的研究人员开发了一种新型的制备方法,它是将氧化镓层沉积于蓝宝石衬底上来制备功率器件。这主要依赖于其一项名为“Mist Epitaxy”(喷雾干燥法)的化学气相沉积工艺。 5、Mist Epitaxy简单介绍 我们知道,传统的化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition;CVD)是在真空状态下借反应气体间的化学反应产生所需要的薄膜,但大面积化有其困难,花费成本大也是问题点之一。但Flosfia所采用的Mist Epitaxy是将液体雾化之后再应用至成膜制程上。由于原料为液体,所以原料的选择性大幅提高,不需真空处理亦使得大面积化变得可行,这就有助于降低成本支出。 按照Flosfia官方所说,他们所产生的MISTDRY技术使他们能够基于氧化镓制造二极管和晶体管,而这些二极管和晶体管只需要比以前的体积少十分之一的电源。 6、传统SBD同样Flosfia的SBD的对比 从官网可以看到,公司在2015年所首发的肖特基势垒二极管(SBD)已经送样,而其521V耐压器件的导通电阻仅为为0.1mΩcm,855V耐压的SBD导通电阻也只是为0.4mΩcm。由此足以见证到这些器件的优势。 因为材料属性的原因,有专家认为用氧化镓无法制造P型半导体。但京都大学的Shizuo Fujita与Flosfia合作在2018年成功开发出具有蓝宝石结构的Ga2O3绝缘效应晶体管(MOSFET),根据这项研究的结果,功率转换器的小型化可能会达到十分之几,并且降低成本的效果有望达到总功率转换器的50%。这就让这项技术和产品有望应用于需要安全性的各种电源中,并有望支持电动汽车和小型AC适配器的普及。 同样也是在2018年,电装与Flosfia决定共同开发面向车载应用的下一代Power半导体材料氧化镓(α-Ga2O3)。据电装表示,通过这两家公司对面向车载的氧化镓(α-Ga2O3)的联合开发,汽车电动化的主要单元PCU的技术革新指日可待。此技术将对电动汽车的更轻量化发展,燃料费用的节约改善起到积极作用,从而实现人、车、环境和谐共存。 从Flosfia的报道可以看到,他们也计划今年扩大规模,并实现量产。 Novel Crystal Technology(以下简称NCT)则成立于2015年,公司所采用的方案是基于HVPE生长的Ga2O3平面外延芯片,他们的目标是加快超低损耗,低成本β-Ga2O3功率器件的产品开发。开发出β-Ga2O3功率器件。 资料显示,NCT已经成功开发,制造和销售了直径最大为4英寸的氧化镓晶片。而在2017年11月,Nove Crystal Technology与Tamura Corporation合作成功开发了世界上第一个由氧化镓外延膜制成的沟槽MOS型功率晶体管,其功耗仅为传统硅MOSFET的1/1000。 7、氧化镓沟槽MOS型功率晶体管的示意图 按照他们的规划,从2019财年下半年开始,NCT将开始提供击穿电压为650-V的β-Ga2O3沟槽型SBD的10-30 A样品。他们还打算从2021年开始推进大规模生产的准备工作。公司还致力于快速开发100A级别的β-Ga2O3功率器件。 自2012年以后,业界不断公布关于氧化稼功率元件的研发、试做成果。迄今为止,已经试做了横型MES FET、横型MOS FET、Normally Off的纵型MIS FET。在SBD的实验中,已经证明了氮化镓器件的导通电阻比碳化硅的SBD低得多!在初级试验阶段就可以证明其性能超过碳化硅功率元件。而现在参加研发的日本企业持续增加。 来到美国方面,在今年六月,美国纽约州立大学布法罗分校(the University at Buffalo)正在研发一款基于氧化镓的晶体管,据他们介绍,基于这种晶体管打造的器件能够处理8000V以上的电压,而且只有一张纸那么薄。可以帮助制造出更小、更高效的电子系统,用在电动汽车、机车和飞机等场景。 此外,美国佛罗里达大学、美国海军研究实验室和韩国大学的研究人员也在研究氧化镓MOSFET。佛罗里达大学材料科学与工程教授Stephen Pearton表示,它们看好氧化镓作为MOSFET的发展潜力。 8、中国在这个领域的现状 面对这项新技术,国内表现又是如何呢? 让我们从网上的材料一窥其蛛丝马迹。 据观察者网在2019年2月的报道,中国电科46所经过多年氧化镓晶体生长技术探索,通过改进热场结构、优化生长气氛和晶体生长工艺,有效解决了晶体生长过程中原料分解、多晶形成、晶体开裂等问题,采用导模法成功制备出高质量的4英寸氧化镓单晶。报道指出,中国电科46所制备的氧化镓单晶的宽度接近100mm,总长度达到250mm,可加工出4英寸晶圆、3英寸晶圆和2英寸晶圆。经测试,晶体具有很好的结晶质量,将为国内相关器件的研制提供有力支撑。 在2019年12月,中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员欧欣课题组和西安电子科技大学郝跃课题组教授韩根全携手。在氧化镓功率器件领域取得了新进展。 据中国科学院上海微系统与信息技术研究所报道,欧欣课题组和韩根全课题组利用“万能离子刀”智能剥离与转移技术,首次将晶圆级β-Ga2O3单晶薄膜(<400 nm)与高导热的Si和4H-SiC衬底晶圆级集成,并制备出高性能器件。报道指出,该工作在超宽禁带材料与功率器件领域具有里程碑式的重要意义。首先,异质集成为Ga2O3晶圆散热问题提供了最优解决方案,势必推动高性能Ga2O3器件研究的发展;其次,该研究将为我国Ga2O3基础研究和工程化提供优质的高导热衬底材料,推动Ga2O3在高功率器件领域的规模化应用。 而在今年六月,复旦大学方志来团队在p型氧化镓深紫外日盲探测器研究中取得重要进展。报道表示,方志来团队采用固-固相变原位掺杂技术,同时实现了高掺杂浓度、高晶体质量与能带工程,从而部分解决了氧化镓的p型掺杂困难问题。 9、结语 可以肯定的是,氧化镓是一个很好的材料,但从西安电子科技大学郝跃院士在《半导体学报》的报道看来,氧化镓氧的低热导率问题值得关注,而P型掺杂依然是一个巨大的挑战。 其他挑战还包括研制出具有低缺陷密度高可靠的栅介质、更低阻值的欧姆接触、更有效的终端技术比如场版和金属环用来提高击穿电场、更低缺陷密度及更耐压的Ga2O3外延层以及更大更便宜的单晶衬底。 氧化镓功率器件为高效能功率器件的选择提供新的方案,它的未来将大放光彩。

    时间:2020-10-13 关键词: 半导体 日本 氮化镓

  • iCoupler技术为AC/DC设计中的氮化镓(GaN)晶体管带来诸多优势

    iCoupler技术为AC/DC设计中的氮化镓(GaN)晶体管带来诸多优势

    大规模数据中心、企业服务器或电信交换站使得功耗快速增长,因此高效AC/DC电源对于电信和数据通信基础设施的发展至关重要。但是,电力电子行业中的硅MOSFET已达到其理论极限。同时,近来氮化镓(GaN)晶体管已成为能够取代硅基MOSFET的高性能开关,从而可提高能源转换效率和密度。为了发挥GaN晶体管的优势,需要一种具有新规格要求的新隔离方案。 GaN晶体管的开关速度比硅MOSFET要快得多,并可降低开关损耗,原因在于: · 栅极电容和输出电容更低。 · 较低的漏源极导通电阻(RDS(ON))可实现更高的电流操作,从而降低了传导损耗。 · 无需体二极管,因此反向恢复电荷(QRR)低或为零。 GaN晶体管支持大多数包含单独功率因数校正(PFC)和DC-DC部分的AC/DC电源:前端、无电桥PFC以及其后的LLC谐振转换器(两个电感和一个电容)。此拓扑完全依赖于图1所示的半桥和全桥电路。 如果将数字信号处理器(DSP)作为主控制器,并用GaN晶体管替换硅MOSFET,就需要一种新的隔离技术来处理更高的开关频率。这主要包括隔离式GaN驱动器。 图1.适合电信和服务器应用的典型AC/DC电源 典型隔离解决方案和要求 UART通信隔离 从以前的模拟控制系统转变为DSP控制系统时,需要将脉宽调制(PWM)信号与其他控制信号隔离开来。双通道ADuM121可用于DSP之间的UART通信。为了尽量减小隔离所需系统的总体尺寸,进行电路板组装时使用了环氧树脂密封胶。小尺寸和高功率密度在AC/DC电源的发展过程中至关重要。市场需要小封装隔离器产品。 PFC部分隔离 与使用MOS相比,使用GaN时,传输延迟/偏斜、负偏压/箝位和ISO栅极驱动器尺寸非常重要。为了使用GaN驱动半桥或全桥晶体管,PFC部分可使用单通道驱动器ADuM3123,LLC部分则使用双通道驱动器ADuM4223 。 为隔离栅后的器件供电 ADI公司的isoPower®技术专为跨越隔离栅传输功率而设计,ADuM5020紧凑型芯片解决方案采用该技术,能够使GaN晶体管的辅助电源与栅极的辅助电源相匹配。 隔离要求 为了充分利用GaN晶体管,要求隔离栅极驱动器最好具有以下特性: · 最大允许栅电压<7 V · 开关节点下dv/dt>100 kV/ms ,CMTI为100 kV/µs至200 kV/µs · 对于650 V应用,高低开关延迟匹配≤50 ns · 用于关断的负电压箝位(–3 V) 有几种解决方案可同时驱动半桥晶体管的高端和低端。关于传统的电平转换高压驱动器有一个传说,就是最简单的单芯片方案仅广泛用于硅基MOSFET。在一些高端产品(例如,服务器电源)中,使用ADuM4223双通道隔离驱动器来驱动MOS,以实现紧凑型设计。但是采用GaN时,电平转换解决方案存在一些缺点,如传输延迟很大,共模瞬变抗扰度(CMTI)有限,用于高开关频率的效果也不是很理想。与单通道驱动器相比,双通道隔离驱动器缺少布局灵活性。同时,也很难配置负偏压。表1对这些方法做了比较。 表1.驱动GaN半桥晶体管不同方法的比较 图2.在isoPower器件中实现UART隔离和PFC部分隔离,需要采用ISO技术及其要求 对于GaN晶体管,可使用单通道驱动器。ADuM3123是典型的单通道驱动器,可使用齐纳二极管和分立电路提供外部电源来提供负偏压(可选),如图3所示。 新趋势:定制的隔离式GaN模块 目前,GaN器件通常与驱动器分开封装。这是因为GaN开关和隔离驱动器的制造工艺不同。未来,将GaN晶体管和隔离 栅驱动器集成到同一封装中将会减少寄生电感,从而进一步增强开关性能。一些主要的电信供应商计划自行封装GaN系统,构建单独的定制模块。从长远来看,用于GaN系统的驱动器也许能够集成到更小的隔离器模块中。如图4所示,ADuM110N等微型单通道驱动器(低传输延迟、高频率)和isoPower ADuM5020设计简单,可支持这一应用趋势。 图3.用于GaN晶体管的单通道、隔离式isoCoupler驱动器 图4.iCoupler ADuM110N和isoPower ADuM5020非常适合Navitas GaN模块应用 结论 与传统硅基MOSFET相比,GaN晶体管具有更小的器件尺寸、更低的导通电阻和更高的工作频率等诸多优点。采用GaN技术可缩小解决方案的总体尺寸,且不影响效率。GaN器件具有广阔的应用前景,特别是在中高电压电源应用中。采用ADI公司的iCoupler®技术驱动新兴GaN开关和晶体管能够带来出色的效益。

    时间:2020-09-28 关键词: 晶体管 icoupler 氮化镓

  • 宜普电源转换公司(EPC)最新推出100 V eGaN®FET产品,为业界树立全新性能基准

    宜普电源转换公司(EPC)最新推出100 V eGaN®FET产品,为业界树立全新性能基准

    增强型硅基氮化镓(eGaN)功率场效应晶体管和集成电路的全球领导厂商宜普电源转换公司(EPC)最新推出的两款100 V eGaN FET(EPC2218及EPC2204),性能更高并且成本更低,可立即发货。采用这些先进氮化镓器件的应用非常广,包括同步整流器、D类音频放大器、汽车信息娱乐系统、DC/DC转换器(硬开关和谐振式)和面向全自动驾驶汽车、机械人及无人机的激光雷达系统。 EPC2218(3.2 mΩ、231 Apulsed)和EPC2204(6 mΩ、125 Apulsed)比前代eGaN FET的导通电阻降低了接近20%及提高了额定直流功率。与基准硅器件相比,这两款氮化镓器件的性能更高。 EPC2204的导通电阻降低了25%,但尺寸却缩小了3倍。 与基准硅MOSFET器件相比,其栅极电荷(QG)小超过50%,并且与所有eGaN FET一样,没有反向恢复电荷(QRR),从而使得D类音频放大器可以实现更低的失真和更高效的同步整流器和电机驱动器。 100 V基准硅场效应晶体管与100 V 氮化镓场效应晶体管的性能比较 EPC首席执行官兼共同创办人Alex Lidow表示:“大家预计最新一代且性能优越的100 V eGaN FET的价格会更高。但这些最先进的100 V晶体管的价格与等效老化器件相近。我们为设计工程师提供的氮化镓器件的优势是性能更高、尺寸更小、散热效率更高且成本相近。氮化镓器件正在加速替代功率MOSFET器件。”

    时间:2020-09-23 关键词: 晶体管 宜普电源转换公司 氮化镓

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