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氮化镓的发展趋势及应用

作者:时间:2018-08-27来源:网络收藏

与硅器件相比,由于氮化镓的晶体具备更强的化学键,因此它可以承受比硅器件高出很多倍的电场而不会崩溃。这意味我们可以把晶体管的各个电端子之间的距离缩短十倍。这样可以实现更低的电阻损耗,以及电子具备更短的转换时间。总的来说,氮化镓器件具备更快速的开关、更低的损耗及更低的成本优势。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201808/387805.htm

性能优越

优越的器件必需具备以下6个特性:1)器件需要具备更低的传导损耗、更低的阻抗;2)开关必需更快速并在硬开关应用中如降压具备更低的损耗;3)更低的电容、更少充电及放电损耗;4)驱动器使用更少;5)器件更细小(缩小占板面积)及6)因为需要更高输出电流和功率密度而需要更低的热阻。

我们为工程师带来可支持意想不到的全新领域的功率器件。在电阻方面,之前我们在DC/DC并联氮化镓场效应晶体管(eGaN FET)从而实现更高的输出电流。可是,这会增加元件的数量、成本及复杂性并降低功率密度。与第二代氮化镓器件相比,第四代eGaN FET可以大大降低阻抗,从而使得基于eGaN FET 的DC/DC具备更大电流及高功率密度。如图1所示,采用第四代30 V 的eGaN FET的转换器的阻抗只是1 mΩ,即降低了阻抗达2.6倍。如果采用第四代100 V的eGaN FET,与第二代100 V的器件相比,阻抗只有2.4 mΩ,即降低了阻抗达2.3倍。

图1:第二代及第四代氮化镓器件的阻抗的比较。

Drain to source:漏源电压

此外,与等效的先进硅功率MOSFET相比,第四代eGaN FET减少硬开关FOM达5倍(200 V器件)、 8倍( 100 V器件)及 4.8倍(40 V器件),见图2。

图2:第二代及第四代氮化镓器件的硬开关FOM并与硅功率MOSFET的比较。

至于封装方面,eGaN FET如果使用MOSFET的传统封装不会比MOSFET更好。如果使用芯片规模封装,结果却截然不同。图3是在PCB板上的一个典型晶体管的截面图。热量主要从两个途径散出:从焊锡接面散进PCB板(如RθJB展示)或从晶体的背部散出(RθJC),之后,外壳至环境的热阻(RθCA)及电路板至环境的热阻(RθBA)将影响散热效率。虽然eGaN FET比先进的硅MOSFET的体积更小,使得热阻相对于可散热的面积来说应该增加了。然而,eGaN FET的封装具备超低的结点至电路板热阻(RθJB)并与MOSFET的封装的热阻相等。

图3:氮化镓器件的散热效率。

Silicon Substrate:硅衬底

Active GaN Device Region:活跃氮化镓器件区域

最重要的是,eGaN FET可以双面散热从而可以进一步提高其散热效率。至于从结点至外壳(RθJC)的热阻,除了30 V的MOSFET具有与eGaN FET可比的热阻外,在更高压时,eGaN FET具备无可匹敌的散热性能。

电源转换系统可提高效率

图4展示了eGaN FET与先进硅MOSFET模块相比较的电源转换效率,从实验结果可以看到,eGaN FET 12 V转1.2 V、40 A的负载点转换器工作在1MHz开关频率时可实现超过91.5% 效率。此外,一个采用eGaN FET的器件、48 V 转12 V、 40 A的硬开关降压转换器而成为一个非隔离型DC/DC中间总线转换器工作在300 kHz的频率时可以实现超过98%的效率(图5)。

图4:氮化镓器件可以提高DC/DC转换效率。

图5:eGaN FET在更高压的DC/DC转换器可以提高效率。

MOSFET Module:MOSFET 模组

Loss Reduction:损耗降低

Output Current:输出电流

Efficiency:效率

业界首个氮化镓IC

由于减少了需要互相连接2个分立式晶体管的板位,单片式半桥器件IC系列(EPC2100)可缩小占板面积大约 30%,从而缩小整体的系统尺寸,而且,因为速度增加了,因此可以去除功率环路电感。在1 MHz的工作频率下,分立式FET在更大电流下更具优势,这是由于下面的分立式FET具备更低的导通损耗。可是,在4 MHz时,单片式eGaN FET比分立式FET的性能优越很多,这是因为减小了寄生电感,改善了版图及技术(图6)。我们也可以利用更高压的单片式半桥eGaN FET(例如80 V 的EPC2105)高效地实现从48 V转至1 V的单级转换。


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关键词: 转换器 功率

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