做開關電源開發是時候該儲備一波氮化鎵(GaN)功率器件設計知識了

隨著電子科技的不斷進步,無論是在消費電子、工業自動化或是汽車、醫療、航空航天等各個領域,都在追求更高的功率密度,以滿足逐漸提升的電源需求。電源的發展必然是朝著小體積高效率方面演進,提高工作頻率是必然趨式。

半導體開關器件是開關電源的核心器件,它是實現電源功率轉換的必要器件,20多年來,功率金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)已在開關電源中占據主導地位。MOSFET 最早出現于上世紀60年代,首先出現于模擬電路中的應用,然后功率MOSFET在上世紀80年代開始興起,用于替代雙極型晶體管(BJT)。雙極性晶體管是一種電流驅動型器件,由于其電導率調制效應,導通閾值電壓非常低,導通時的飽和電壓降也非常低。但它很難關斷,因為它具有類似于二極管的恢復特性,需要將基極電荷完全抽走后才能關斷。相比之下,功率MOSFET是一個電壓驅動器件,具有更高的導通閾值電壓,但其柵極是呈容性的,因此需要大的瞬態電流來實現快速開關。

隨著時間的推移,功率MOSFET技術也在逐步改進,具有更高的功率密度、卓越的開關性能、低導通電阻、緊湊的芯片尺寸,減少電磁干擾(EMI)以增強系統可靠性的MOSFET不斷的進行技術創新,但在走過了半個多世紀的時間之后,傳統的硅功率器件現已到達它的物理極限,發展空間有限。但人們在探索更高效率更高功率密度的路上并未停止腳步,人們開始把目光投向性能更優越的“新“材料,比如碳化硅(SiC)、硅鍺(SiGe)、砷化鎵(GaAs)和氮化鎵(GaN)。

氮化鎵(GaN、Gallium nitride)是氮和鎵的化合物,是一種III族和V族的直接能隙(direct bandgap)的半導體,自1990年起常用在發光二極管中。此化合物結構類似纖鋅礦,硬度很高。氮化鎵的能隙很寬,為3.4電子伏特,可以用在高功率、高速的光電元件中。

如同其他III族元素的氮化物,氮化鎵對電離輻射的敏感性較低,這使得它適合用于人造衛星的太陽能電池陣列。軍事的和空間的應用也可能受益,因為氮化鎵設備在輻射環境中顯示出穩定性。相比砷化鎵(GaAs)晶體管,氮化鎵晶體管可以在高得多的溫度和電壓工作運行,因此它們是理想的微波頻率的功率放大器。

GaN被譽為繼第一代Ge、Si半導體材料,第二代GaAs、InP化合物半導體材料之后的第三代半導體材料,在光電子、高溫大功率器件和高頻微波器件應用方面有著廣闊的前景。

氮化鎵相比傳統硅基半導體,有著比硅基半導體出色的擊穿能力,更高的電子密度和電子遷移率,還有更高的工作溫度。

這首先體現了低損耗和高開關頻率,低損耗可降低導阻帶來的發熱,高開關頻率可減小變壓器和電容的體積,有助于減小充電器的體積和重量。同時GaN具有更小的Qg,可以很容易的提升頻率,降低驅動損耗。

雖然氮化鎵的研究和應用已經有20多年的歷史,但直到最近幾年才開始看到氮化鎵商業化的發展前景。5G通訊射頻(RF)前端對高頻和高效率的要求將為氮化鎵帶來前所未有的機會,而新能源汽車和便攜式電子產品的充電需求,以及高瓦數、高功率的電源供應器都將驅動氮化鎵功率元件逐漸替代傳統的硅功率元件。

盡管目前的氮化鎵電源市場與328億美元的硅電源市場相比仍然是「小巫」,但氮化鎵元件正在滲透到不同的應用場景中。其中,功率氮化鎵市場中最大的部分仍然是電源相關的應用,例如手機的快速充電,以及大瓦數電源供應器。

由于電源市場的需求驅動,氮化鎵市場將穩步成長。 據市場預估,2017~2023年間,氮化鎵電源市場的年復合成長率(CAGR)將達55%;值得注意的是,蘋果(Apple)有意采用氮化鎵技術,若氮化鎵功率元件順利獲消費性電子類產品采用,即則年復合成長率可望高達93%。也因此包括英飛凌(Infineon)、松下(Panasonic)、德州儀器(TI)、Navitas、意法半導體(STMicroelectronics)等電力電子領導廠商及新創公司,皆已紛紛進入氮化鎵功率半導體的研發,且有些廠商已推出相關氮化鎵產品線。不過,雖然氮化鎵在電源市場鋒頭正盛,但事實上,該寬能隙元件因技術挑戰仍高、成本還未能與傳統硅功率元件相比,因此,短期內仍未能成為市場主流。

雖然氮化鎵技術還處于市場預熱器,風口還未能令豬完全起飛,但老wu覺得,對于做開關電源開發的攻城獅,是時候該儲備一波氮化鎵(GaN)功率器件設計知識了。

首先通過納微半導體和安森美半導體的介紹視頻,初步了解一下氮化鎵技術在電源中的應用。

 

然后通過TI的氮化鎵功率器件及其應用視頻講解具體的氮化鎵功率器件的應用設計

(1) 氮化鎵器件的介紹-氮化鎵功率器件及其應用

 

(2) TI用氮化鎵器件實現的DCDC設計方案-氮化鎵功率器件及其應用

 

(3) TI氮化鎵器件在無橋PFC設計中的應用(上)-氮化鎵功率器件及其應用

 

(4) TI氮化鎵器件在無橋PFC設計中的應用(下)-氮化鎵功率器件及其應用

 

最后,老吳分享一本GaN功率器件在電源轉化器設計方面的電子書

《GaN Transistors for Efficient Power Conversion》

下載鏈接見這里:

https://static.mr-wu.cn/doc/GaN%20Transistors%20for%20Efficient%20Power%20Conversion.pdf

文章寫得好 賞顆六味地黃丸補補

原創文章,轉載請注明: 轉載自 吳川斌的博客 http://www.qjhrpq.tw

本文鏈接地址: 做開關電源開發是時候該儲備一波氮化鎵(GaN)功率器件設計知識了 http://www.qjhrpq.tw/dan-hua-jia-gan-gong-lv-qi-jian-she-ji-zhi-shi/

分享到微信
使用微信掃碼將網頁分享到微信

推薦文章

神評一下

你可以從微信分享這篇文章

只需要簡單兩步

1.點擊右上角

2.選擇分享到朋友圈

快乐十分永久规律