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做开关电源开发是时候该储备一波氮化镓(GaN)功率器件设计知识了 [复制链接]

 

随着电子科技的不断进步,无论是在消费电子、工业自动化或是汽车、医疗、航空航天等各个领域,都在追求更高的功率密度,以满足逐渐提升的电源需求。电源的发展必然是朝着小体积高效率方面演进,提高工作频率是必然趋式。

半导体开关器件是开关电源的核心器件,它是实现电源功率转换的必要器件,20多年来,功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)已在开关电源中占据主导地位。MOSFET 最早出现于上世纪60年代,首先出现于模拟电路中的应用,然后功率MOSFET在上世纪80年代开始兴起,用于替代双极型晶体管(BJT)。双极性晶体管是一种电流驱动型器件,由于其电导率调制效应,导通阈值电压非常低,导通时的饱和电压降也非常低。但它很难关断,因为它具有类似于二极管的恢复特性,需要将基极电荷完全抽走后才能关断。相比之下,功率MOSFET是一个电压驱动器件,具有更高的导通阈值电压,但其栅极是呈容性的,因此需要大的瞬态电流来实现快速开关。

随着时间的推移,功率MOSFET技术也在逐步改进,具有更高的功率密度、卓越的开关性能、低导通电阻、紧凑的芯片尺寸,减少电磁干扰(EMI)以增强系统可靠性的MOSFET不断的进行技术创新,但在走过了半个多世纪的时间之后,传统的硅功率器件现已到达它的物理极限,发展空间有限。但人们在探索更高效率更高功率密度的路上并未停止脚步,人们开始把目光投向性能更优越的“新“材料,比如碳化硅(SiC)、硅锗(SiGe)、砷化镓(GaAs)和氮化镓(GaN)。

氮化镓(GaN、Gallium nitride)是氮和镓的化合物,是一种III族和V族的直接能隙(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。

如同其他III族元素的氮化物,氮化镓对电离辐射的敏感性较低,这使得它适合用于人造卫星的太阳能电池阵列。军事的和空间的应用也可能受益,因为氮化镓设备在辐射环境中显示出稳定性。相比砷化镓(GaAs)晶体管,氮化镓晶体管可以在高得多的温度和电压工作运行,因此它们是理想的微波频率的功率放大器。

GaN被誉为继第一代Ge、Si半导体材料,第二代GaAs、InP化合物半导体材料之后的第三代半导体材料,在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有着广阔的前景。

氮化镓相比传统硅基半导体,有着比硅基半导体出色的击穿能力,更高的电子密度和电子迁移率,还有更高的工作温度。

这首先体现了低损耗和高开关频率,低损耗可降低导阻带来的发热,高开关频率可减小变压器和电容的体积,有助于减小充电器的体积和重量。同时GaN具有更小的Qg,可以很容易的提升频率,降低驱动损耗。

虽然氮化镓的研究和应用已经有20多年的历史,但直到最近几年才开始看到氮化镓商业化的发展前景。5G通讯射频(RF)前端对高频和高效率的要求将为氮化镓带来前所未有的机会,而新能源汽车和便携式电子产品的充电需求,以及高瓦数、高功率的电源供应器都将驱动氮化镓功率元件逐渐替代传统的硅功率元件。

尽管目前的氮化镓电源市场与328亿美元的硅电源市场相比仍然是「小巫」,但氮化镓元件正在渗透到不同的应用场景中。其中,功率氮化镓市场中最大的部分仍然是电源相关的应用,例如手机的快速充电,以及大瓦数电源供应器。

由于电源市场的需求驱动,氮化镓市场将稳步成长。 据市场预估,2017~2023年间,氮化镓电源市场的年复合成长率(CAGR)将达55%;值得注意的是,苹果(Apple)有意采用氮化镓技术,若氮化镓功率元件顺利获消费性电子类产品采用,即则年复合成长率可望高达93%。也因此包括英飞凌(Infineon)、松下(Panasonic)、德州仪器(TI)、Navitas、意法半导体(STMicroelectronics)等电力电子领导厂商及新创公司,皆已纷纷进入氮化镓功率半导体的研发,且有些厂商已推出相关氮化镓产品线。不过,虽然氮化镓在电源市场锋头正盛,但事实上,该宽能隙元件因技术挑战仍高、成本还未能与传统硅功率元件相比,因此,短期内仍未能成为市场主流。

虽然氮化镓技术还处于市场预热器,风口还未能令猪完全起飞,但老wu觉得,对于做开关电源开发的攻城狮,是时候该储备一波氮化镓(GaN)功率器件设计知识了。

首先通过纳微半导体和安森美半导体的介绍视频,初步了解一下氮化镓技术在电源中的应用。


 

 

然后通过TI的氮化镓功率器件及其应用视频讲解具体的氮化镓功率器件的应用设计

(1) 氮化镓器件的介绍-氮化镓功率器件及其应用


(2) TI用氮化镓器件实现的DCDC设计方案-氮化镓功率器件及其应用

 


 

(3) TI氮化镓器件在无桥PFC设计中的应用(上)-氮化镓功率器件及其应用

 


 

(4) TI氮化镓器件在无桥PFC设计中的应用(下)-氮化镓功率器件及其应用

 

 

 


 

 

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当所有的原厂都在一股劲地宣传新材料的优点而避谈缺点时,应用者一定要去找它的缺点。

去年有一家方案公司欲委托我为他们的逆变器解决由GaN替代MOS的方案,我列出几项问题之后,要求原厂解释,他们也拿不出好的对策,然后我给那个老板说,不要给原厂当白老鼠,原厂说这个东西如何如何好,他们应该提供一个行业内高水平的DEMO,成本高无所谓,但要能跑得正常。邮件往来几个回合,然后就没有然后了,讨论群我也退了。

有些代理老是拿一些3A的4开关小DEMO板跑过来,我说能不能提供一块20A以上的?答“没有”,没有就不能动工,不是说换颗大MOS大电感就行了的,有的IC它的电流采样不稳定,采样电阻发热大不好意思摆出来。我有能力解决芯片的问题,但是我花那时间精力干啥?原厂肯不肯贴钱给搞应用的修IC的BUG?

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这个讲的好    就是需要对DEMO进行各种的测试  最后采取评估   弊端肯定是要解决的    不然不敢应用      老师是高手   赞  详情 回复 发表于 2019-11-5 15:35

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PowerAnts 发表于 2019-11-5 15:30 当所有的原厂都在一股劲地宣传新材料的优点而避谈缺点时,应用者一定要去找它的缺点。 去年有一家方案公 ...

这个讲的好    就是需要对DEMO进行各种的测试  最后采取评估   弊端肯定是要解决的    不然不敢应用      老师是高手   赞

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五彩晶圆(高级)

GaN的结电容是MOS的0.1-0.2倍,应用中维持开关损耗相等的话,速度也以是5-10倍。原厂提是一个劲地宣传这个优点。

但是,结电容小同时也是缺点,太快了振铃幅度太大,器件的电压应力高,EMI问题突出。当时原厂说:可不可以加RC吸收!我指出加了吸收效率就跟MOS一样了,那何必用GaN呢?

据我了解,GaN主要用在快充,功率密度可比MOS翻倍,但这完全是利用GaN结温高的优点,并配合了平面变压器,如果结温与MOS相同,优势也不明显的。

结电容小干啥用好?硬开关的非隔离高速变换,请提供振铃小的DEMO!

软开关和准谐振还得并电容,你结电容小有啥用呢?对不?


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当然了,在半桥全桥里面,由于速度快,死区可以很小,也就是说占空比可以比MOS大一些,电流均方根值会小一些。不到5%的样子


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原厂有必要专门讲一下它的缺点,这才能更好地推动它的应用,更快进入赚钱的阶段。大量的应用者还萌萌的,玩不动的话,你卖给谁?

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老师 就想你说的   缺点都只有自己在应用是  自己找     厂家和卖家都只宣传优良的一面  在方面所以要充分应用DEMO的测试  详情 回复 发表于 2019-11-5 16:09

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PowerAnts 发表于 2019-11-5 15:45 原厂有必要专门讲一下它的缺点,这才能更好地推动它的应用,更快进入赚钱的阶段。大量的应用者还萌萌的,玩 ...

老师 就想你说的   缺点都只有自己在应用是  自己找     厂家和卖家都只宣传优良的一面  在方面所以要充分应用DEMO的测试

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LZ是老吴吗?

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LW    详情 回复 发表于 2019-11-6 09:10

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把你博客那个文档传上来啊  详情 回复 发表于 2019-11-6 23:02
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那个文档     详情 回复 发表于 2019-11-7 08:43

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不亦心 发表于 2019-11-6 23:02 把你博客那个文档传上来啊

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文末不是有一本书吗  详情 回复 发表于 2019-11-7 20:33
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文末不是有一本书吗

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上传了  在资料中心  你去看看  等会儿会显示   顺便说一下  我不是LW   分享的LW的  详情 回复 发表于 2019-11-8 08:54

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不亦心 发表于 2019-11-7 20:33 文末不是有一本书吗

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