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是说芯语36:宽带隙半导体技术方兴未艾,氮化镓应用日新月异

院士
2019-02-26 11:56:27    评分

过去一些年,功率电子行业的工程师一直处于一个非常尴尬的境地,一方面他们无法在现有空间内继续提高功率,但同时又不希望增大设备所需的空间。如果不能增大尺寸,那么只能提高功率密度,而这又需要依赖半导体技术,乃至半导体材料的创新。宽带隙半导体,尤其是基于氮化镓(GaN)的半导体技术的出现,为功率系统设计人员提供了针对不同应用需求的更多选择。




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市场趋势使然


60多年以来,硅一直都是电气产品中的基础材料,广泛用于交流电与直流转换,并调整直流电压来满足从手机到工业机器人等众多应用的需求。虽然元器件一直在持续改进和优化,但物理学意义上的极限却是横亘在硅材料面前的一条无法逾越的鸿沟。


从“砖头”手机到笨重的电视机,电源模块曾经在电子电器产品中占据相当大的空间。硅电源技术领域的创新曾一度大幅缩减了这些应用的尺寸,但却很难更进一步。在现有尺寸规格下,硅材料无法在所需的频率下输出更高的功率。而对于即将推出的5G无线网络,以及未来的机器人、可再生能源直至数据中心技术,功率都是一个至关重要的因素。此外,更严格的行业标准也在推动电子产品向更高能效和更紧凑的方向发展,对功率半导体提出了更高功率密度的性能要求。


硅达到其性能极限的窘境,为宽禁带产品的开发开启了机会。宽禁带产品有出色的性能优势,可以利用高频实现高能效、高功率密度。宽禁带超级结(SJ)产品可以提高工作频率,使用的范围更广。碳化硅(SiC)具有高频、高功率能力,但频率范围比GaN低些,GaN的频率范围最高,功率却相对低些。下图可以看出各类功率器件的频率、输出功率范围及在汽车中的应用。



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GaN的时代已经到来


GaN可处理更高频率和更高的功率,与硅器件相比,它可以在尺寸和能耗减半的条件下输送同等的功率,因此提高了功率密度,有助于设计人员在不增大设计空间的同时满足更高的功率要求。


更高的频率交换意味着GaN可以一次转换更大范围的功率,减少复杂设计中的功率转换。由于每次功率转换都会产生新的能耗,这对于很多高压应用是一个明显的优势。基于GaN的全新电源和转换系统功率损耗更低,产生的热量也更少。由于高温会提高运行成本、干扰网络信号并诱发设备故障,这些特性便显得尤为重要。


GaN技术的研发正逐步走向成熟,从研究转向批量生产是一个漫长的过程,其中包括对电子工程师的教育。今天,许多技术壁垒已经消除。为了提高产量和降低成本,制造工艺已逐渐优化,针对该技术的特殊的质量流程已经实施,并在2017年11月JEDEC组织成立了一个新的委员会,为宽禁带半导体制定了标准(JC- 70),这预示着批量生产即将开始。


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新产品如雨后春笋


市场调研机构HIS预计,从现在年到2027年SiC和GaN应用将激增,包括电动/混动汽车及充电桩基础设施、太阳能逆变器、电源、工业电机驱动、不间断电源(UPS)、军事/航空等应用领域,其中电动/混动汽车、太阳能逆变器、电源将是主要的应用市场。


形形色色的GaN芯片及模块


最近短短几个月,许多厂商都发布了新的产品。宜普电源转换公司(EPC)推出了100 V的EPC2051氮化镓场效应晶体管,其占板面积只是1.1平方毫米、最大导通阻抗为25 mΩ,脉冲输出电流高达37 A,支持高效功率转换。此外,低成本的EPC2051与等效硅MOSFET的成本可比。这种器件可用于自动驾驶汽车的激光雷达(LiDAR),快速获得物体检测和距离测量方面的环境信息。得益于其高性能、小尺寸及低成本优势,应用涵盖运算及通信系统、激光雷达、LED照明及D类音频放大器等应用的48 V输入电压的电源转换器。


英飞凌的氮化镓解决方案CoolGaN™ 600 V增强型HEMT和氮化镓开关管专用驱动IC(GaN EiceDRIVER IC)也已投入量产。它们具备更高功率密度,可实现更加小巧、轻便的设计,从而降低系统总成本和运行成本,减少资本支出。氮化镓栅极驱动IC可实现恒定的GaN HEMT开关转换速率,几乎不受工作循环或开关速度影响。这可确保运行稳健性和很高能效......


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关键词: 是说芯语     宽带隙半导体     氮化镓    

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