氮化鎵晶體管的應(yīng)用，你知道嗎？

什么是氮化鎵晶體管?它有什么作用?硅功率MOSFET還沒有跟上電力電子行業(yè)的發(fā)展變化，在這個(gè)行業(yè)中，效率、功率密度和更小的形式等因素是社區(qū)的主要需求。電力電子工業(yè)已經(jīng)達(dá)到硅MOSFET的理論極限，現(xiàn)在需要轉(zhuǎn)移到新的元素。氮化鎵或氮化鎵是一種高流動(dòng)性的半導(dǎo)體電子半導(dǎo)體(HEMT)，在滿足新的應(yīng)用方面被證明是一種真正的附加價(jià)值。

氮化鎵晶體管比硅MOSFET快得多，也小得多。氮化鎵的性能表明，效率和性能有了顯著的提高，導(dǎo)致了一些新的應(yīng)用，這是硅技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的。董事會(huì)空間是非常昂貴的。eGaN®FETs，來自EPC，以低電感、低電阻、低成本的LGA或BGA封裝提供。此外，在硬開關(guān)和軟開關(guān)應(yīng)用方面，它們?yōu)樵O(shè)計(jì)人員提供了同類產(chǎn)品中最好的。

氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管

GaN開關(guān)器件有兩種不同的類型:增強(qiáng)模式(e-GaN)和cascode耗盡模式(d-GaN)。一個(gè)e-GaN作為一個(gè)普通的MOSFET工作，即使它有一個(gè)門到源的電壓降低。它提供了一個(gè)更簡(jiǎn)單的封裝，一個(gè)低電阻沒有身體二極管與雙向通道，表現(xiàn)像這樣。

d-GaN晶體管通常是打開的，需要一個(gè)負(fù)電壓。您可以通過將HEMT晶體管與低壓硅MOSFET串聯(lián)來克服這個(gè)問題，如圖1所示。

圖1:e-GaN(左)和d-GaN(右)配置

相比之下，e-GaN晶體管通常是關(guān)閉的，并在施加正電壓的情況下打開。與d-GaN不同，e-GaN設(shè)備不需要負(fù)的啟動(dòng)偏置:當(dāng)柵極上的偏置為零時(shí)，設(shè)備被關(guān)閉，不傳導(dǎo)任何電流。

e-GaN場(chǎng)效應(yīng)晶體管的閾值低于硅場(chǎng)效應(yīng)晶體管的閾值。這提供了一個(gè)非常低的門極-漏極電容(CGD)。它的低電容結(jié)構(gòu)允許在兆赫頻率的毫微秒內(nèi)轉(zhuǎn)換數(shù)百伏特。與CGD相比，柵源電容(CGS)是另一個(gè)較大的參數(shù)，這使得GaN FETs具有良好的抗dv/dt能力。電源開關(guān)器件的dV/dt靈敏度是由各種寄生電容和門驅(qū)動(dòng)電路阻抗引起的。另一方面，門電荷Qg參數(shù)表示設(shè)備快速變化的能力，達(dá)到更高的dV/dT而開關(guān)損耗最小。e-GaN器件比MOSFET高10倍，而d-GaN器件比MOSFET高2 -5倍。

要確定電源開關(guān)的dV/dt靈敏度，可以使用一個(gè)名為Miller充電比(QGD/QGS1)的數(shù)值。一個(gè)米勒電荷比小于1將保證理論上的dV/dt免疫。柵極驅(qū)動(dòng)電路布局是提高抗dV/dt能力的關(guān)鍵因素。

d-GaN晶體管具有低壓硅場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極。因此，現(xiàn)有的商用MOSFET門驅(qū)動(dòng)器可以很容易地操作d-GaN開關(guān)。d-GaN器件的一個(gè)不利的影響是由于硅場(chǎng)效應(yīng)晶體管的點(diǎn)火電阻的增加而產(chǎn)生的較高的點(diǎn)火電阻。對(duì)于低電壓(<200 V)，這種增加是顯著的。對(duì)于高電壓(600 V)，這種增加的電阻只能是總電阻的5%左右。

d-GaN晶體管增加了封裝的復(fù)雜性。MOSFET器件與GaN HEMT之間的寄生電感和電容可能會(huì)在開關(guān)瞬態(tài)過程中造成延遲。在開關(guān)類型中，器件的反向?qū)щ娞匦允呛苤匾?。在MOSFET中，體二極管的壓降很低，其反向恢復(fù)非常緩慢，導(dǎo)致了顯著的高開關(guān)損耗。

氮化鎵器件沒有反向體二極管，但由于其物理性質(zhì)，可以反向?qū)щ?。在反向傳?dǎo)的情況下，將有必要有空載時(shí)間。級(jí)聯(lián)的d-GaN器件由于串聯(lián)MOSFET中的低壓硅而具有反向恢復(fù)能力。

圖2:ungan器件的寄生電容和電流

在硬開關(guān)變換器中，輸出電荷在每次通電過渡時(shí)在場(chǎng)效應(yīng)管中耗散。這種損耗與QOSS、總線電壓和開關(guān)頻率成正比。氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的QOSS明顯低于硅場(chǎng)效應(yīng)晶體管，降低了每個(gè)周期的輸出電荷損耗，因此允許更高的頻率(圖2)。

為汽車和消費(fèi)者提供解決方案

新興的計(jì)算應(yīng)用程序在更小的形式上需要更多的能力。除了擴(kuò)大需求的服務(wù)器市場(chǎng),一些最具挑戰(zhàn)性的應(yīng)用程序多用戶游戲系統(tǒng),自動(dòng)汽車,和人工智能汽車系統(tǒng)越來越朝著48 V設(shè)備,由電子控制高能耗的增加功能和自動(dòng)車輛的出現(xiàn),從激光雷達(dá)等系統(tǒng)創(chuàng)建額外的要求,雷達(dá)、相機(jī)和能量分布系統(tǒng)上的超聲波傳感器。這些處理器是“高耗能的”，是汽車行業(yè)傳統(tǒng)12v配電母線的額外負(fù)擔(dān)。對(duì)于48v總線系統(tǒng)，GaN技術(shù)提高了效率，減小了系統(tǒng)規(guī)模，降低了系統(tǒng)成本。一個(gè)250 kHz GaN解決方案與兩倍的頻率允許減少35%的大小，導(dǎo)致減少電感器DCR損耗，以及削減系統(tǒng)成本約20%相比，MOSFET解決方案。氮化鎵具有極高的電子遷移率和較低的溫度系數(shù)，因此可以獲得較低的QG和零QRR。最終的結(jié)果是一種能夠以非常高的開關(guān)頻率和低的準(zhǔn)時(shí)率來管理任務(wù)的設(shè)備，這對(duì)那些以開機(jī)狀態(tài)損耗為主的設(shè)備來說是有益的。

“高功率EPC eGaN®FETs在工作狀態(tài)下提供更低的電阻，更低的電容，更高的電流和優(yōu)異的熱性能，這些功率轉(zhuǎn)換器具有98%以上的效率?！边@一家族的eGaN FETs一半電阻(RDS(on))，使高電流和高功率密度的應(yīng)用。亞歷克斯·利多博士說，他是EPC公司的首席執(zhí)行官和聯(lián)合創(chuàng)始人。

圖3:48v輕度混合系統(tǒng)的表示[來源:EPC]

與上一代相比，最新一代的eGaN FETs在改善高頻功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用中的開關(guān)性能方面的優(yōu)點(diǎn)也減少了一半。將GaN的性能優(yōu)勢(shì)提高到30v可以用于為隔離電源、pc和服務(wù)器構(gòu)建高功率DC/DC轉(zhuǎn)換器、PoL轉(zhuǎn)換器和同步整流器。

采用諸如EPC2045等eGaN®場(chǎng)效應(yīng)晶體管，可以實(shí)現(xiàn)最小、最經(jīng)濟(jì)有效和最高效率的非隔離48v - 12v轉(zhuǎn)換器，適用于高性能計(jì)算和電信應(yīng)用。EPC2045的工作溫度di -40至+150°C，熱阻di 1.4°C/W。漏源極導(dǎo)通電阻為5.6 mΩ典型(圖3和圖4)。

圖4:效率vs電流[來源:EPC]

在消費(fèi)市場(chǎng)，便攜式解決方案正變得越來越“耗能”?？紤]到筆記本電腦的體積很小，有時(shí)使用冷卻解決方案，有時(shí)幾乎為零，因此能夠管理效率和熱管理是非常重要的。對(duì)快速、高效充電器的需求引導(dǎo)市場(chǎng)向新的GaN解決方案發(fā)展(圖5)。

圖5：EPC9148設(shè)備[來源：EPC]

激光雷達(dá)

當(dāng)在激光雷達(dá)系統(tǒng)中打開激光時(shí)，eGaN®fet和集成電路是合乎邏輯的選擇，因?yàn)閒et可以被激活，產(chǎn)生具有極短脈沖寬度的高電流脈沖。短脈沖寬度導(dǎo)致更高的分辨率，更高的脈沖電流允許激光雷達(dá)系統(tǒng)看到更遠(yuǎn)。這兩個(gè)特點(diǎn)，加上它們極小的體積，使GaN成為激光雷達(dá)的理想選擇。

EPC提供各種開發(fā)板。EPC9144主要用于驅(qū)動(dòng)高電流激光二極管，具有高電流脈沖，總脈沖寬度為1.2 ns，電流可達(dá)28a。該板是圍繞15v EPC2216 eGaN®FET汽車認(rèn)證AEC-Q101設(shè)計(jì)的。EPC9126和EPC9126HC開發(fā)板主要用于驅(qū)動(dòng)高電流脈沖的激光二極管，總脈沖寬度低至5納秒(峰值的10%)。它們采用100V EPC2212和EPC2001C增強(qiáng)模式(eGaN®)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)設(shè)計(jì)，分別能夠承受75 A和150 A的電流脈沖。(圖6)。

圖6:EPC9144開發(fā)板[來源:EPC]

基于這一技術(shù)，賽普頓最先進(jìn)的激光雷達(dá)解決方案Helius提供了先進(jìn)的目標(biāo)檢測(cè)、跟蹤和分類能力，為智能城市、交通基礎(chǔ)設(shè)施、安全等領(lǐng)域提供了廣泛的應(yīng)用。它體現(xiàn)了三種前沿技術(shù)的空前融合:由Cepton的專利微動(dòng)技術(shù)(MMT?)驅(qū)動(dòng)的行業(yè)領(lǐng)先的3D激光雷達(dá)傳感;最小數(shù)據(jù)負(fù)擔(dān)和最易集成的邊緣計(jì)算;以及用于實(shí)時(shí)分析的內(nèi)置高級(jí)感知軟件。

“激光雷達(dá)也已經(jīng)成為一個(gè)非常重要的市場(chǎng)。它可能是最被認(rèn)可的自動(dòng)駕駛汽車解決方案。然而，一個(gè)增長(zhǎng)更快的市場(chǎng)是短距離激光雷達(dá)，它被用于機(jī)器人，只需要看到幾英尺，避免碰撞的無人機(jī)，和駕駛員的警覺性系統(tǒng)。短程激光雷達(dá)系統(tǒng)不像遠(yuǎn)程激光雷達(dá)系統(tǒng)需要那么多的電流，但看到短距離意味著你需要一個(gè)更快的脈沖。因?yàn)槿绻銣y(cè)量的是一米以外的東西，這意味著返回信號(hào)將在幾納秒內(nèi)返回。我們已經(jīng)演示了脈沖寬度小于1.2納秒的短程激光雷達(dá)系統(tǒng)。亞歷克斯·利多說道。

無線供電

“無線能源已準(zhǔn)備好融入我們的日常生活。亞歷克斯·利多說。發(fā)射機(jī)可以放置在家具，墻壁，地板，以有效和經(jīng)濟(jì)的電力或充電我們的電子和電子設(shè)備在大面積和跨多個(gè)設(shè)備。無線能量傳輸?shù)母拍钜呀?jīng)為人所知有一段時(shí)間了，準(zhǔn)確的說是100多年前，可以追溯到特斯拉線圈的發(fā)明。無線能量傳輸?shù)囊粋€(gè)關(guān)鍵因素是效率:為了能夠有效地定義系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)傳輸?shù)拇蟛糠帜芰勘仨毜竭_(dá)接收設(shè)備。

磁共振技術(shù)是實(shí)現(xiàn)無所不在的關(guān)鍵——使大面積的傳輸成為可能，為定位接收設(shè)備提供空間自由，以及同時(shí)為多個(gè)設(shè)備供電的能力。

EPC提供了全方位的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)參考設(shè)計(jì)，從單個(gè)設(shè)備充電到多個(gè)設(shè)備同時(shí)供電跨越一個(gè)大的表面積。GaN使得低頻率(Qi)和高頻率(空氣燃料)標(biāo)準(zhǔn)的高效率更低的成本成為可能;單發(fā)射放大器解決方案，可以無線充電設(shè)備，無論使用的標(biāo)準(zhǔn)在接收設(shè)備。依賴Qi標(biāo)準(zhǔn)的無線充電系統(tǒng)通過感應(yīng)耦合在100到300千赫的頻率范圍內(nèi)運(yùn)行。

圖7:EPC2037 -增強(qiáng)型功率晶體管

音頻應(yīng)用程序

D類音頻系統(tǒng)的低功耗產(chǎn)生更少的熱量，節(jié)省空間和印刷電路板的成本，并延長(zhǎng)便攜式系統(tǒng)的電池壽命。GaN fet提供高保真度D級(jí)音頻放大器。然而，最近，隨著具有更好物理性能的gan基高電子遷移率晶體管(HEMT)器件成為現(xiàn)實(shí)，D類放大器性能的飛躍近在咫尺。

eGaN®fet的低電阻和低電容提供了低瞬態(tài)互調(diào)失真(T-IMD)?？焖俚拈_關(guān)能力和零反向恢復(fù)電荷使更高的輸出線性和低交叉失真為低總諧波失真(THD)。

“一流的D放大器是專為汽車設(shè)計(jì)的，因?yàn)樗麄兿胱屍嚀碛懈嗟膿P(yáng)聲器和更大的功率。A類放大器太大了，不能產(chǎn)生超過25瓦的功率，而且還能裝在儀表盤里。D級(jí)轎車于20世紀(jì)80年代首次推出，配備了16個(gè)揚(yáng)聲器，功率為250瓦。但是音質(zhì)從來沒有a級(jí)功放和d級(jí)功放好，這是因?yàn)閙osfet的切換速度不夠快，所以切換頻率相對(duì)較低，復(fù)制質(zhì)量相對(duì)較差。當(dāng)然，有了GaN設(shè)備，你可以使用更高的頻率。

空間應(yīng)用

氮化鎵的增強(qiáng)模態(tài)版本(eGaN)被廣泛應(yīng)用于空間應(yīng)用的開發(fā)。商用GaN電源設(shè)備比傳統(tǒng)的基于硅技術(shù)的Rad硬器件具有更高的性能。這使得創(chuàng)新架構(gòu)得以實(shí)現(xiàn)，并在衛(wèi)星、數(shù)據(jù)傳輸、無人機(jī)、機(jī)器人和航天器上得到應(yīng)用。

圖8:采用EPC設(shè)備設(shè)計(jì)的隔離式電源調(diào)節(jié)裝置-銫PCU-1C28

伊根場(chǎng)效應(yīng)晶體管提供了抗輻射能力，快速的開關(guān)速度，提高了效率，導(dǎo)致更小和更輕的電源(更小的磁鐵和更小的散熱器尺寸，甚至在許多情況下消除散熱器)。電源設(shè)計(jì)人員可以選擇增加頻率，讓磁鐵更小，提高效率或設(shè)計(jì)一個(gè)令人滿意的平衡兩者。伊根場(chǎng)效應(yīng)晶體管也比等效的mosfet小。更快的瞬態(tài)響應(yīng)也可以減少電容器的尺寸。以上就是氮化鎵晶體管解析，希望能給大家?guī)椭?