意法半导体在宽禁带高性能氮化镓(GaN)产品和技术及不同应用案例分享 (上)
简介

意法半导体在宽禁带高性能氮化镓(GaN)产品和技术及不同应用案例分享 (上)
本文(上)回顾了氮化镓的发展历程,并介绍了意法半导体MasterGaN产品系列和解决方案;本文(下)将介绍意法半导体VIPerGaN产品系列和解决方案。

 

意法半导体在宽禁带高性能氮化镓(GaN)产品和技术及不同应用案例分享 (上)

 
电源的高功率密度及小型化的趋势已经持续了几十年,预计将继续强劲增长,并在更多的市场应用中出现。氮化镓这样的宽禁带器件极大的加速了高压功率转换应用的小型化和效率的提升。ACDC适配器领域。氮化镓的出镜率已经非常之高。我们看到了在移动设备上高功率密度及小型化的迫切需求。随着能源效率需求的增加,我相信这只是冰山的一角。IHS预测,从2025年到2028年,氮化镓设备的出货量将以30%的复合年增长率增长。
 

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氮化镓器件的采用已经实现了智能手机以及我们个人电脑的超高速充电的应用。有些优秀的企业已经将智能手机的充电时间缩短到10分钟以内。如今,数据中心占世界能源消耗的2%。氮化镓平台能够实现更高效、更高功率密度的电源供应,大大降低了拥有成本,节约了地球资源。就像电力电子的理想模型一样,氮化镓技术使工业应用的电源能够处理更多的电力,使它们变得更小、更轻、更节能。

 

那么是什么让氮化镓如此特殊?大家都知道,氮化镓相对于传统硅器件,具有更高的代隙。带隙是电子从价带顶部跃迁到导带底部所需要的能量。氮化镓可以承受更强的电场,施加更高的电压。同时,氮化镓具有更高的迁移速率和饱和速度,这就是氮化镓晶体管切换速度快十倍的原因。

 

较高的电子迁移率意味着在相同的电阻和击穿电压下,器件可以更小。总而言之,氮化镓可以工作在更高的电压、更高的频率,并使用更小的磁性材料。这意味着我们可以在更高的开关频率下,以更高的效率运行电源,从而使我们能够使用更小的磁性器件和更好的冷却方案。

 

从而在更小的系统中实现更高的功率密度。正如我们多年来所看到的。新技术的采用遵循着正态分布模式,早期采用者和有远见的人很快就能看到新技术的长期价值,并尽早开始开发。随着技术的成熟,好处和价值也变得越来越清晰,大多数人也随之也一起开始开发。
 

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由于快速充电器技术的高使用率,氮化镓在2020年和2021年飞速发展。氮化镓技术使得智能手机、平板电脑和笔记本电脑非常紧凑的适配器的制造成为可能。从上图左下角的图表可以看出,氮化镓非常适用于百瓦级的功率适配器。

 

对适配器也有很大好处的是氮化镓的高开关频率。高开关频率允许电源工程师减少其电源中磁性和无源器件的尺寸。意法半导体的MasterGaN产品是世界上第一个将硅驱动器及两颗氮化镓功率器件集成在一个封装中的半桥结构的解决方案。这也推动了电力转换领域的新浪潮。
 

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MasterGaN内部集成了两颗氮化镓功率管以及栅极驱动器,可以由内部自举二极管轻松实现供电。上下管的驱动部分都设有过压,保护、过温保护,防止MasterGaN在低效率以及各种危险的情况下运行。除了各种保护功能之外,MasterGaN 的上下管还有护锁功能。

 

这样就可以有效避免半桥结构在某些特殊情况下发生上下管直通的风险。简化了工程师对芯片的风险考虑,并且使得芯片的稳定性更好。MasterGaN采用QFN9x9封装。输入引脚扩展范围从负的3.3V一直到正的15V。

 

具有迟滞和下拉功能,方便与微控制器以及或传感器连接。芯片设有专用的使能引脚,可以轻轻松实现power up 和power  down 的功能。这样集成了功率管和驱动器的好处有哪些呢?
 

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如上图所示:
  1. 这样做我们可以更大的优化三级layout的布局,使得电路更加高效。
  2. 最小化寄生参数可以使器件工作在更高的开关频率,使得功率密度可以更高。
  3. 这种做法可以使我们的工程师在使用器件的时候更加的容易方便。
目前,意法半导体正在量产的MasterGaN产品共有5款。从下图可以清晰的看到各个部件的内阻参数以及可覆盖的功率范围。
 

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其中,MasterGaN2和MasterGaN3为非对称结构。适用于ACF及非对称半桥的拓扑。MasterGaN1 MasterGaN4以及MasterGaN5 为对称结构适用于各种LLC、ACF以及AHB等top。所有MasterGaN产品系列都符合QFN9X9的封装,并且引脚pin2pin兼容。
 

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MasterGaN 内部框图如上图所示。大概可以将MasterGaN 分为三个功能模块。最左边蓝色的区域就是我们刚刚提到的实现过温过压以及互锁功能的逻辑电路。中间黄色的这部分区域是我们的氮化镓驱动电路。右边的红色的区域是我们的上管以及我们的下管氮化镓。

 

目前使用ST-One搭配的MasterGaN产品,实现了一个超高功率密度的解决方案。针对于USB PD充电器市场,使用该方案可以相较于传统的充电器体积上缩小四倍,使用更少的机壳材料。

 

该方案会相较于传统的充电器,它的效率更高。这也意味着在电网上带来的损耗更小,更加节能。下图是ST-One搭配MasterGaN 65W评估板的介绍。下图左下角列出了板端的关键器件。分别由控制器ST-One、半桥氮化镓器件MasterGaN2、以及同步整流MOSFET 和loadswitch  MOSFET 的组成。评估板可以支持90V到264V交流电压范围输入,频率可支持范围在47赫兹到63赫兹之间;同时满足COC Tier2以及DOE6级能效的要求。其已通过CISPR22B,即EN55022B的EMC标准,可支持的协议有USBPD、PPS、SCP、FCP和QC协议。
 

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65W评估版的高压满载效率接近94%。四点平均效率也在COC Tier2 以及DOE标准之上。在115伏交流输入的情况下。峰值效率可以做到92%以上,且四点平均效率也远高于COC及DOE的标准。

原文始发于微信公众号(意法半导体PDSA):意法半导体在宽禁带高性能氮化镓(GaN)产品和技术及不同应用案例分享 (上)

作者 gan, lanjie