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[零组件/半导体]GaN FET功率密度再翻倍!宽禁带半导体围绕汽车展开争夺 [复制链接]

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离线shuszhao
 

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按照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的说法,新产品在性能、效率和尺寸方面的突破,源于GaN材料更好的开关特性、更快的开关频率、更低的损耗、以及TI在硅基氮化镓衬底上的加工能力,因此与碳化硅(SiC)等同类衬底材料相比,更具成本和供应链优势。 8LkP)]4^sO  
在他看来,功率密度、低EMI、低IQ、低噪声/高精度与隔离功能既是未来电源管理芯片发展的五大前沿趋势,也是衡量一家企业的产品性能是否继续享有领导地位的重要指标,5-10年内将不会出现任何改变。 \2-@'^i  
具体而言,就是提高功率密度可以在降低系统成本的同时实现更多的系统功能;尽量减少对其他系统组件的干扰,简化工程师的设计和鉴定流程;延长电池寿命与储存时间、实现更多功能,延长系统使用寿命并降低系统成本;降低或转移噪声可简化电源链并提高精密模拟应用的可靠性;在高压和关键安全应用中实现更高工作电压和更大可靠性。 aVs(EHF  
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“考虑到全球能源需求将持续增长,但生产动力的能力却受到了更多限制,因此必须改进半导体封装和拓扑结构,才能在成本、可靠性、占用空间和系统性能方面取得颠覆性优势。”以汽车行业为例,Steve Tom认为电气化正在改变汽车行业,消费者越来越需要充电更快、续航里程更远的车辆。因此,工程师亟需在不影响汽车性能的同时,设计出更紧凑、轻便的汽车系统;而在工业设计中,需要新器件在更低功耗和更小电路板空间占用的情况下,在AC/DC电力输送应用(例如超大规模的企业计算平台以及5G电信整流器)中实现更高的效率和功率密度。 ,fDEz9-,  
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对功率密度和效率永无止境的追求 mMx ;yZ  
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众所周知,在开关过程中会产生功率、功耗甚至热的损失,由于氮化镓能实现更快的开关速度,所以能够减少相应损耗。最新的数据显示,GaN目前的开关速率达到了150V/ns,开关频率可以实现2MHz甚至10MHz以上,可以消除整流器在进行交直流转换时90%的能量损失,还可以使笔记本电源适配器体积缩小80%,因此在开关电源、电动汽车、光伏发电、UPS、数据中心、无线充电,芯片处理器等应用中具有良好前景。 thi1kJ`L  
TI早在2010年就开启了有关氮化镓的研究,目前为止,能够对150mΩ、70mΩ和50mΩGaN FETs产品进行组合式批量生产,并在2018年与西门子同步展示了业界首个10千瓦的云电网与GaN连接的产品。不久前通过自主研发的对流冷却900V、5000W双向AC/DC平台产品,功率密度比传统IGBT解决方案高300%,进一步扩展了GaN在汽车、并网存储和太阳能等领域的新应用。 n6d9 \  
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新型GaN FET集成了快速开关驱动器以及内部保护和温度感应功能,使工程师能够在电源管理设计中减小电路板尺寸、降低功耗的同时实现高性能。再加上TI GaN技术的高功率密度,使工程师能够在通常的离散解决方案中减少10多个组件。此外,在半桥配置中应用时,每个带集成驱动器和保护功能的650V 30mΩ GaN FET均可支持高达4kW的功率转换。必要的功率级和栅极驱动高频电流环路安全封装在电路板上,最大程度地减小了寄生电感,降低电压过冲并提高性能。 hf/2vt m  
下图是LMG3525R030-Q1 650V车用GaN FET的评估板。TI高压电源应用产品业务部应用工程师张奕驰介绍时称,该评估板使用了两块LMG3525 30mΩ GaN FET,在半桥中配置了所有必需的偏置电路和逻辑/功率电平转换功能,插座式外部连接可轻松与外部功率级连接。采用散热板时,可以转换高达5000瓦的功率,而如果使用冷却液,功率等级可提升至6000-7000瓦。 b !@Sn/  
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GaN具有快速开关的优势,可实现更小、更轻、更高效的电源系统。在过去,要获得快速的开关性能,就会有更高的功率损耗。为了避免这种不利后果,新型GaN FET采用了TI的智能死区自适应功能,以减少功率损耗。例如,在PFC中,智能死区自适应功能与分立式GaN和SiC金属氧化物硅FET(MOSFET)相比,可将第三象限损耗降低多达66%。智能死区自适应功能也消除了控制自适应死区时间的必要,从而降低了固件复杂性和开发时长。 UUKP"  
所谓“智能死区自适应功能”,张奕驰解释说,PFC中有同步开关和主动开关,同步开关打开之前的死区时间根据负载电流大小来提供,负载电流越大,所需要的死区时间就越短。而智能死区自适应功能可以通过负载电流来调节死区的时间,从而使得效率得以最大化。 1axQ)},o@p  
散热方面,Steve Tom说如果采用TI GaN FET的封装产品,其热阻抗比性能最接近的同类产品还要低23%,因此可使工程师使用更小的散热器,简化散热设计。此外,FET集成的数字温度报告功能还可实现有源电源管理,从而使工程师能在多变的负载和工作条件下优化系统的热性能。 /iNa'W5\  
目前TI.com.cn上已提供四种新型工业级600V GaN FET的预生产版本,采用12mm x 12mm方形扁平无引脚(QFN)封装。TI预计工业级器件LMG3425R030将于2021年第一季度实现批量生产。新型LMG3522R030-Q1和LMG3525R030-Q1 650V车用GaN FET的预生产版本和评估模块预计将于2021年第一季度在TI.com.cn上发售。 TC~Q G$NW  


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感觉有点大,看看后续


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了解一下。



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