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[導讀]11月10日,TI正式宣佈推出面向面向汽車和工業應用的下一代650V和600V氮化鎵(GaN)場效應晶體管(FET),與此同時並對TI的GaN FET技術進行了詳細的剖析。

寬禁帶的第三代半導體材料成為今年半導體行業的主要關鍵詞之一,究其歷史,第一代以Si、Ge為代表、第二代以GaAs、InPIII-V族化合物為代表、第三代以GaN、SiC為代表。第三代半導體材料用其優異的材料物理特性,為電子器件性能功耗和尺寸提供了更多的發揮空間。

GaN和SiC作為“三代目”,主要的特性包括更寬的帶隙、更高的臨界擊穿電壓、更快的電子速度、更高的導熱係數、更高的電子遷移率等。利用兩個材料製作的器件則主要是GaN FET和SiC FET。

提到器件,GaN和SiC本身的特性與開關電源可以説是“天生一對”,能夠實現更快的開關速度,正因為開關過程中會產生功率、功耗和熱損失,因此更快的速度能夠有效減少功率、功耗和過沖。

TI(德州儀器)作為電源管理IC界的翹楚,在今年7月就提到過自己的GaN的規劃,當時TI表示TI早就在過去十年擁有了很好的GaN經驗積累,不僅實現速度翻倍、功耗減半、擁有超過4000萬可靠性小時的實驗資料,還會在自己的工廠和供應鏈上生產,以保證支持客户的不間斷業務。

11月10日,TI正式宣佈推出面向面向汽車和工業應用的下一代650V和600V氮化鎵(GaN)場效應晶體管(FET),與此同時並對TI的GaN FET技術進行了詳細的剖析,21ic中國電子網記者受邀參加此次發佈會。

瞄準汽車工業兩大市場

本次發佈會上有兩款GaN相關產品發佈,一款是針對汽車市場的650V GaN FET,另一款則是針對工業市場的600V GaN FET。需要注意的是,型號中帶有Q1的為650V GaN FET產品,沒有帶有Q1的則是600V GaN FET產品。發佈會現場,德州儀器高壓電源應用產品業務部應用工程師張奕馳為記者介紹這兩款產品的詳細參數和性能。

01、650V汽車GaN FET:LMG3525R030-Q1

根據張奕馳的介紹,這款產品是基於預測汽車未來市場所推出的,利用GaN技術可為汽車帶來更快的充電時間、更高的可靠性和更低的成本。

LMG3525R030-Q1是一款集成驅動和保護功能的650V汽車GaN FET,可以提高系統長期穩定性並縮短充電時間。

張奕馳表示,這款產品與現有的硅基和碳化硅方案相比可以減小車載充電器50%的體積,這主要得益於高達2.2-MHz的切換頻率和集成驅動所發揮的優勢。他強調,離散解決方案無法達到如此高速的切換頻率和如此大的壓擺率。


目前來説,這款產品可以按照要求提供所需的評估模塊和資料,與這款產品配套的評估模塊型號為LMG3525R030-Q1EVM。張奕馳表示,這塊評估模塊使用了兩款LMG3525 30mΩ GaN FET並在半橋中配置了所有必需的偏置電路和邏輯/功率電平轉換功能。

值得一提的是,經過他本人測試之下,該評估模塊在使用散熱板的情況下可以轉換高達5000W的功率,通過冷卻液甚至可以達到6000-7000W的功率等級。另外,評估模塊上測量點很多,方便測量壓擺率或實現非常高的開關頻率。加之插座式外部連接,可以輕鬆與外部功率級連接。


02、600V工業GaN FET:LMG3425R030

張奕馳表示,這款產品則在工業中擁有廣泛的應用,諸如充電樁、5G、電信、服務器等。

LMG3425R030是一款功率密度加倍,且所需器件更少的600V工業級GaN FET。特別需要強調的是,該產品達到了99%的效率,在成本方面極具競爭力。傳統應用中,在效率、功率密度、成本中必須有所取捨,而這款產品則無需這種抉擇和擔心。

簡單來説,LMG3425030是TI最快的集成柵極驅動器,與硅基MOSFET相比功率密度翻倍;也是同類產品中功耗最低的產品,能夠達到99%效率。另外,擁有集成化設計、高速保護和數字温度報告功能,不僅可以監測電流,對電源單元(PSU)進行有源電源管理和熱監測,也可在過流或短路時,啓動自我保護。


同樣,這款產品也可以提供評估模塊和資料,與之配套的評估模塊型號為LMG3425EVM-043,張奕馳強調該款產品的新的應用手冊將隨之發佈。

值得一提的是,這款新產品集成了全新的智能死區自適應功能,GaN可以根據負載電流自動調節死區時間,實現效率最大化。

為何偏偏是硅基GaN和600V/650V

第三代半導體材料擁有兩款,從特性上來説,雖然SiC偏向大功率(650V-3.3kV),GaN偏向射頻、通信、消費(80V-650V),但實際上兩款產品也有一定交集,主要在600V/650V電壓級別上,為什麼TI偏偏選擇GaN?

TI告訴記者,與市場上其他技術相比,功率為600V/650V的硅基GaN提供了更高的效率和更低的解決方案成本,這對於諸如AC/DC PSU之類的應用尤為重要。

GaN和SiC FET可以給汽車應用提供類似的電壓和導通電阻額定值。GaN具有更加快速開關的優勢,可提高效率和功率密度。此外,TI的GaN構建在硅基板上,可降低系統成本。TI致力於將重點放在寬帶隙技術上。對於SiC,仍然會提供各類優化的分立式、隔離式柵極驅動器,以用於諸如汽車牽引逆變器之類的終端設備。

那麼又為什麼通過600V和650V區分工業和汽車市場?這是因為在汽車方面有一些應用所需要的母線電壓會更高;另外一個非常重要的區別則在於650V汽車GaN FET為頂部散熱,600V工業GaN FET為底部散熱。所以,當汽車頂部散熱就提供了更多可能性,可以讓客户通過散熱板、水冷和其他散熱方式更高效的進行散熱。

從襯底上來説,雖然GaN器件有采用SiC、Si和金剛石的幾種。TI主要是從成本容量上考慮,採用一種低成本、高容量的Si基板,可讓產品解決方案實現更大效率和功率密度。“TI在GaN上採取的是硅基氮化鎵(GaN-on-Si),我們將驅動集成在了硅基層上,這使得TI可以提供更可靠、更具成本優勢、更加實用的GaN解決方案。”德州儀器高壓電源應用產品業務部氮化鎵功率器件產品線經理Steve Tom在發佈會上如是説。

在分立器件和模塊器件中,TI選擇了集成化更高的模塊器件,這是因為TI專注於更大限度地提高器件對工程師的價值,尤其是使效率、功率密度和可靠性實現更大化,同時更大程度地降低解決方案成本。與分立方法相比,TI將先進的硅柵極驅動器與高性能GaN FET相集成的方法通過提供更快的壓擺率和開關速度,使工程師能夠實現效率和功率密度更大化。此外,驅動器集成通過更大程度地減小GaN FET柵極上的電壓過應力來提高系統可靠性。具體可以實現以下功能:

● 先進的電源管理,包括集成的短路保護

TI的智能死區自適應功能可在更佳時間開啓FET

第三象限運行

● 數字温度報告可通過PWM信號向微控制器報告GaN FET裸片温度

從前沿趨勢看TI的GaN FET

TI在今年提出了電源管理行業的幾個前沿趨勢(高功率密度、低EMI、低Iq、低噪聲高精度、隔離),筆者認為在GaN FET上則直接體現了這幾個目標。Steve Tom 告訴記者,TI在集成GaN FET主要擁有幾種特性:

1、功率密度加倍:提供大於150V/ns和大於2.2MHz的業界更快切換速度。與離散解決方案相比,集成化可減少59%的功率磁性元件以及10多個組件需求。2、PFC中效率最高:TI的智能死區自適應功能最大程度地減少了停滯時間、固件複雜性和開發時間,同時將PFC中的第三象限損耗至多降低了66%。3、超冷卻封裝:與水平最接近的市場同類產品封裝相比,可減少23%的熱阻抗。底部和頂部冷卻的封裝可實現散熱設計靈活性。4、可靠性和成本優勢:憑藉4,000多萬小時的器件可靠性測試和超過5 Gwh的功率轉換應用測試,可為工程師提供足以應對任何市場需求的可靠的使用壽命。

從功率密度上來講,電源管理企業近年來主要“拼殺”的點便是這一關鍵參數。因為只有在功率密度保持減少的同時再減少空間佔用和功耗的全方位發展之下對於客户來説才是真正有意義的。由此,應用產品的客户既可以享受更好的系統成本,也可在更小的體積下實現更多的系統功能。TI的GaN FET與分立方法相比,是將先進的硅柵極驅動器與高性能GaN FET相集成的方法通過提供更快的壓擺率和開關速度,使工程師能夠實現效率和功率密度更大化。此外,驅動器集成通過更大程度地減小GaN FET柵極上的電壓過應力來提高系統可靠性。

從PFC(功率因數校正)來説,開關電源實際上是一種電容輸入型電路,電流和電壓間相位差會造成交換功率損失,因此便需要PFC電路提高功率因素。TI在GaN FET上特別提出了此項參數,其實PFC除了改善了功率因數,EMI也會隨着減小。

從封裝上來講,因為TI在GaN FET上目前針對的對象包括了汽車,汽車對於散熱和耐熱上擁有更高的要求。正是因為在GaN FET的功率密度和體積上的優化,為獲得良好的熱管理設計,仍然需要將温度保持在系統要求之內。為解決這個問題,TI GaN器件應用創新的低電感封裝,可幫助設計工程師更大程度地降低散熱挑戰。另外還提供兩種封裝以提高靈活性;一種封裝的電源板位於器件底部,另一種封裝的電源板位於器件頂部。

從可靠性和成本上來講,首先一方面TI在GaN技術上本身擁有4000萬小時的可靠性測試經驗積累;另一方面,本身使用硅基氮化鎵,相比碳化硅基氮化鎵(GaN-on-SiC)本身優勢明顯,加之功率密度和效率提升,使得成本再次削減。


在新技術和新應用增加之下,市場擁有了在更小空間內獲得更大功率的需求。特別是,EV/HEV車載充電器、用於企業計算的AC/DC電源單元、數據中心、電信整流器和5G都受益於GaN在這些高壓電平下提供的更高效率和功率密度。TI認為,包括可再生能源雙向轉換器在內的電網基礎設施應用將繼續轉向GaN,以獲得相同收益。

遠觀5-10年發展,TI認為必須注重工程師所關心的功能,包括效率、功率密度、可靠性和解決方案成本。TI將繼續致力於將硅驅動器與GaN FET相集成,以優化這些關鍵設計問題。

此前筆者曾強調,很多情況下電源的運作並非依賴單器件,而是從完整的解決方案出發。無論從功耗、成本、尺寸上來講,還是系統的精簡方面來講,完整的解決方案遠比單器件更加出色。

在此之上,TI也將提供了更好的成本優化,並搭配了C2000微控制器和整體電源管理產品組合來進一步提高功率密度和效率,藉由效率提升進一步壓縮成本。

此次發佈兩款產品,充分展現了TI在GaN技術的成熟度。因此,TI預計產量在近期會有強勁增長。

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