GaN的功率与演变——第6部分

日期:2019-03-04
 
 
作者:Alex Lidow,EPC首席执行官兼联合创始人
日期:02/24/2019
类别:激光雷达、MOSFET和功率场MOSFET、电源
标签:@PSD#技术EPC#高效功率转换#GaN
6部分系列之第6部分
40多年前,硅功率MOSFET是一种颠覆性的技术,取代了双极晶体管,成为半导体行业首选的功率转换器件,出现了120亿美元的市场。
 
 
GaN立方体
 
这种转变的动力告诉我们,控制新的功率转换技术采用率的四个关键因素是:
1.是否可以实现重要的新应用?
2.使用是否方便?
3.它对用户来说是否非常划算?
4.是否可靠?
在本系列的第一篇文章中,我们探讨了氮化镓(GaN)技术是如何处理这些因素的。氮化镓已经满足了取代硅解决方案的要求:它支持新的应用,这些新的应用帮助开发了一个强大的生态系统,降低了生产成本,并创造了令人羡慕的可靠性记录。
自2010年开始商用氮化镓功率器件以来,该技术迅速取代了老化的功率MOSFET。最初的采用者来自新市场,例如光探测和测距(LiDAR)、包络线跟踪和无线电源,它们利用了GaN优越的开关速度。这些新的应用帮助开发了强大的供应链、低生产成本和令人羡慕的可靠性记录。所有这些特性都为较为保守的设计工程师提供了充分的激励,例如dc–dc转换器、ac–dc转换器,汽车公司开始对氮化镓进行评估。对氮化镓技术好处的理解的这种转变导致氮化镓功率器件的采用率迅速提高。
 
激光雷达车
 
随着这一系列的继续,在众多大容量应用中,仅少数几个应用中出现了氮化镓,利用这一技术实现了新水平的终端产品差异化。一个这样的应用是激光雷达的新兴市场,在那里使用了一种超高速大功率氮化镓激光驱动器。这些激光雷达系统用于诸如自动汽车、无人机和机器人等应用,以及家庭和工业安全系统。氮化镓功率晶体管的优越性能使开创性的激光驱动器性能得以实现。能够产生一个数字、纳秒、大电流脉冲,从几平方毫米传输数百瓦的能力真的非常显著。它是使廉价、高性能的激光雷达以小尺寸成为可能的主要因素之一,从而推动激光雷达革命。
在这一系列的进一步研究中,我们研究了氮化镓是如何通过将精确控制引入机器人辅助手术来改变医学的。外科医生引导的机器人提高了外科手术的精确性,在许多情况下,对病人的侵入性要求很小。机器人手术涉及多个使用超可靠、高性能无刷(BLDC)类电机驱动系统控制的紧凑的手术手臂。这些手术系统需要一个高效、振动小和精确控制的马达。eGaN FET和集成电路可以在更小的解决方案中,比传统等效MOSFET解决方案提供更高的效率和更精确的电机控制,是这种应用的理想选择。
本系列中有两篇文章讨论了更传统的DC/DC转换MOSFET应用。在其中一篇文章中,介绍了一种低成本、高效率的 12 V–1 V负载点(POL)转换器的设计,演示了一种基于氮化镓的功率模块(配置为同步降压转换器)如何产生1000 W/in3的功率密度,能够提供每相12 A的功率。这种高功率密度是高性能计算、加密货币挖掘和电信应用的理想选择。
在第二篇文章中,我们展示了如何构建最小和最有效的48 V至5 - 12 V转换器。基于eGaN的功率模块配置为同步降压转换器,在48 V输入、12 V输出和10 A负载下工作时,功率密度为1400 W/in3。这种设计能够产生5伏到12伏的输出电压,每相输出电流输出14安,是高密度计算和电信应用的理想选择。
 
48V GaN
 
在48个VIN转换中,GaN具有非常显著的性能优势,这是一个因多种原因呈爆炸式增长的市场。第一个问题是,在人工智能(AI)、游戏、云计算和自主汽车等应用中,对更高计算密度的需求不断增加。这些应用正在引导从12 V系统到48 V系统的迁移。第二个是汽车系统从12 V配电系统向48 V系统的迁移。这种变化是由耗电量大的电子驱动功能的增加和自动车辆的出现所推动的,这些自动车辆为配电系统带来了激光雷达、雷达、摄像机和超声波传感器等系统的额外需求。在所有VIN 48V的拓扑结构中,由于氮化镓器件的电容较低且尺寸小于等效硅器件,因此其效率最高。随着氮化镓功率晶体管最近的价格下降,与硅基转换器相比,在所有这些前沿解决方案中,氮化镓的成本都非常有利。
随着氮化镓采用率的激增,重要的是要记住,虽然氮化镓在短短几年内取得了许多进步,但它仍远未达到其理论性能的局限性,因此仍有可以继续实现的重大改进。然而,对于氮化镓来说,影响功率转换系统性能的最大机会来自于将功率级和信号级器件集成在同一基板上的内在能力。
 
IC
 
2014年,第一批商用氮化镓集成电路以单片半桥器件的形式出现。随着技术的进步,更复杂的集成开始出现在市场上,如EPC2115。该产品包括两个功率晶体管和驱动电路,当由低功率逻辑门驱动时,可以实现高达7 MHz的高效运行。2019年3月,计划推出一个集成了驱动器和电平转换电路的单片半桥,以形成一个单片功率级。这一集成电路之后将是全系统芯片上的功率器件,最终将淘汰功率转换应用中的分立晶体管。
随着时间的推移,硅上氮化镓的性能和成本优势将导致目前使用硅基器件的大多数应用转化为更小、更快、更便宜和更可靠的氮化镓技术。
宜普电源转换公司(EPC)
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