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氮化镓:带来更高效率和更大功率密度

      材料来源:原创

 

——采访德州仪器(TI)高压电源应用产品业务部

氮化镓功率器件产品线经理 Steve Tom 先生

 

氮化镓(GaN)具有更出色的开关性能,可实现更小、更轻、更高效的电源系统,为电力电子设备带来更稳定的性能,因此近年来受到广泛关注,正在成为新一代功率半导体的“新宠”。据Yole Dévelopement预测,到2023年全球氮化镓功率器件市场将达到4.23亿美元,复合年增长率超过90%。

近日,德州仪器(TI)公司推出其首个汽车等级的集成 GaN FET——面向汽车和工业应用的650V和600V氮化镓场效应晶体管。TI GaN 解决方案集成了高速栅极驱动器及 EMI 控制、过热保护和强大的过流保护等功能,优化了 BOM 成本、电路板电感和占用空间,可满足下一代系统要求严苛的质量和可靠性标准。

《化合物半导体》杂志为此特别采访了德州仪器高压电源应用产品业务部氮化镓功率器件产品线经理 Steve Tom 先生,讨论GaN及相关技术和市场的发展情况,并请他介绍 TI 在 GaN 领域的最新进展,以及TI GaN产品的特点和优势。

 

 

 

Steve Tom

德州仪器(TI)高压电源应用产品业务部

氮化镓(GaN)功率器件产品线经理

 

 

Q随着智能手机、5G及电动汽车等技术和应用的发展,对能源和高能效的需求不断增加,以氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)为代表的宽禁带半导体越来越受到关注。请谈谈您对于GaNSiC技术和市场的看法?

 

A新技术和新应用增加了对在更小空间内获得更大功率的需求。特别是,EV/HEV车载充电器、用于企业计算的AC/DC电源单元、数据中心、电信整流器和5G都受益于GaN在这些高压电平下提供的更高效率和功率密度。我们还相信:包括可再生能源双向转换器在内的电网基础设施应用将继续转向GaN,以获得相同受益。

 

Q:请问GaNSiC功率器件在应用中是否会有竞争?GaN产品有哪些优势?TI是否会参与到SiC功率器件领域?

 

AGaN FETSiC FET都可以给汽车应用提供类似的电压和导通电阻额定值。GaN具有更加快速开关的优势,可提高效率和功率密度。此外,TIGaN构建在硅基板上,可降低系统成本。TI致力于GaN等宽禁带技术的研发,如今,越来越多的领域需要半导体能够耐高温、拥有更强辐射和更大功率,这些越来越高的需求使得GaN成为新一代电子信息技术中的关键一环。在GaN的帮助下,我们可以用更高的工作频率,更小的尺寸就能做到同样的功率等级和更大的输出。

对于SiC,我们提供各类优化的分立式、隔离式栅极驱动器,以用于诸如汽车牵引逆变器之类的终端设备。

 

Q与硅器件和碳化硅器件相比,GaN器件的性能和可靠性如何?预计GaN市场何时会爆发?

 

A在可靠性方面,TI近十年来一直在开发GaN技术,专注于质量与可靠性。迄今为止,我们已记录超过4,000万的可靠小时数。我们最近发布的集成GaN FET的汽车LMG3422R030-Q1展现了GaN技术的成熟度。因此,我们预计产量在近期会有强劲增长。

 

QGaN器件的市场用量正在伴随电源适配器/快充步入寻常百姓家,价格也不断下降,请问TI相比市场同类产品的优势是什么?

 

A通过将先进的硅驱动器和高性能、低导通电阻的GaN FET集成到一个低电感封装中,TI实现了一流的性能。集成驱动器还可针对电流过载、温度过高和短路情况实现自我保护。我们的内部生产策略使TI能够具备供应链物流管理、实现高质量和可靠性,并降低GaN器件的成本。

与分立方法相比,我们将先进的硅栅极驱动器与高性能GaN FET相集成的方法通过提供更快的压摆率和开关速度,使工程师能够实现效率和功率密度更大化。此外,驱动器集成通过更大程度地减小GaN FET栅极上的电压过应力来提高系统可靠性。

TI专注于具有集成驱动器和保护功能的600 V/650 V硅基GaN器件,专门针对汽车和工业应用,包括针对EV/HEV的车载充电、针对数据中心和企业服务器的AC/DC PSU,以及用于并网应用的双向转换器。在所有这些应用中,GaN可在效率和功率密度方面实现更优性能,同时提供更低的解决方案成本。

与市场上其他技术相比,功率为600 V/650 V的硅基GaN提供了更高的效率和更低的解决方案成本,这对于诸如AC/DC PSU之类的应用尤为重要。

与现有解决方案相比,新的GaN FET系列采用快速切换的2.2 MHz集成栅极驱动器,可帮助工程师提供两倍的功率密度和高达99%的效率,并将电源磁性器件的尺寸减少59%。

 

QTIGaN产品在小体积下功率密度翻倍式增长,请问这样是否对温度有影响,是否拥有独特的散热设计?

 

A效率更高,产生的功耗更少,从而有助于提升系统的整体散热性能。但体积较小时,为获得良好的热管理设计,仍然需要将温度保持在系统要求之内。为解决这个问题,TI GaN器件应用创新的低电感封装,可帮助设计工程师更大程度地降低散热挑战。我们提供两种封装以提高灵活性;一种封装的电源板位于器件底部,另一种封装的电源板位于器件顶部。如需了解更多信息,请参考应用指南用于600V GaN电源级的QFN 12x12封装的热性能

 

Q市场上不乏增强型HEMT器件,请问在GaN器件的结构改善上TI有哪些技术?

 

ATI致力于为客户提供解决方案,实现更高效率和更大功率密度。我们的策略是将先进的硅驱动器与高性能GaN FET相集成,从而获得更高的压摆率和开关频率,以更大程度地降低开关损耗。此外,通过集成驱动器,可实现以下功能:

·         先进的电源管理,包括集成的短路保护

·         TI的智能死区自适应功能可在更佳时间开启FET

·         第三象限运行

·         数字温度报告可通过PWM信号向微控制器报告GaN FET裸片温度

 

Q目前GaN器件有碳化硅基和硅基两种不同的衬底和制造技术,TI为什么选择采用硅衬底?请介绍一下TI GaN的先进制造技术?

 

ATI是在内部生产基地使用硅衬底开发硅基GaN,因为TI拥有先进成熟的硅集成制造技术和供应链。硅是一种低成本、高容量的基板,可让GaN产品解决方案实现更大效率和功率密度,同时具有更高的可靠性。利用TI独有的GaN材料和在硅基氮化镓衬底上的加工能力开发了新型FET,与SiC等同类衬底材料相比,更具成本和供应链优势。

 

Q请介绍一下TI公司对于GaN产品的未来发展计划?

 

A:我们专注于处理系统级问题,并提供可推动整个生态系统的解决方案,从而提供易于使用的GaN器件,更大限度提高效率。总的来说,现今及未来,GaN都是整个TI的重要长期投资领域,包括应用在工业和汽车市场的GaN后续产品开发。TI注重工程师所关心的功能,包括效率、功率密度、可靠性和解决方案成本,将继续致力于将硅驱动器与GaN FET相集成,以优化这些关键设计问题。

 

 

 

TI GaN的发展线路图

 

  

 

TI集成GaN FET的一些优势

 

 

TI面向汽车的集成GaN FET实现两倍功率密度和更高效率

 

 

( 赵雪芹 报道)


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