第三代半导体材料 GaN 技术优势

时间:2017-07-25 13:51来源:

摘要:随着半导体材料的逐步发展和开发,以GaN为半导体材料的应用开始进入了我们的视线。与硅器件相比,GaN在电源转换效率和功率密度上实现了性能的飞跃。

        随着半导体材料的逐步发展和开发,以 GaN 为半导体材料的应用开始进入了我们的视线。与硅器件相比,GaN 在电源转换效率和功率密度上实现了性能的飞跃。
 
       GaN 具有宽的直接带隙、强的原子键、高的热导率、化学稳定性好(几乎不被任何酸腐蚀)等性质和强的抗辐照能力,在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有着广阔的前景。
      
       我们可以比较下 GaN MOSFET 和 Si MOSFET 的性能差别:
      1. GaN 相比于 Si 材料的 MOSFET 有较低的 RDS(on), GaN 的 RDS(on)-面积为6-9 mΩ-cm2,而 Si 的为14-18 mΩ-cm2,也就是说传导损耗低了50%,可以使用更小的散热片和更简单的热管理。
     2.较低的栅极和输出电荷:GaN 提供较低的栅极电荷。与 Si 材料的 MOSFET 的4nC 相比,典型的中压器件具有大约1nC 的栅极电荷,较低的栅极电荷使设计具有更快的导通时间和转换速率,同时减少损耗。同时,GaN 具有显著较低的输出电荷,大概5 nC 左右,远低于 Si 的25nC。
     3.零反向恢复:硅 MOSFET 在50至60 nC 范围内具有典型的反向恢复电荷,具体取决于其尺寸和特性。当 MOSFET 关断时,体二极管中的反向恢复电荷(Qrr)产生损失,从而增加了总的系统开关损耗。这些损耗与开关频率成正比。而 GaN 具有零反向恢复和零 Qrr 损耗。




 德州仪器(TI)作为半导体行业的领先者,尤其是在功率器件方面更是首屈一指,也推出了 GaN 材料的 MOSFET,我们就此采访了德州仪器全球 GaN 解决方案高级策略与市场经理:Masoud Beheshti.
    

我们提出了几个问题,Masoud Beheshti 也热情的作了解答。

1. 作为制作 FET 的第三代半导体材料 GaN,其材料特性以及应用前景如何?
Masoud: 在功率密度方面,氮化镓为硅金属氧化物半导体场效应晶体管提供了几个关键的优点和优势,包括更低的导通电阻、较低的栅极和输出电荷以及零反向恢复。
 
2. TI 以前所用材料制作的 MOSFET,比如 NexFET 和 FemtoFET 系列,与 GaN 的区别?
Masoud:
无论使用何种类型的 GaN,栅极驱动设计对于实现最佳的整体性能是至关重要的。由于这个原因,TI 在单一功率级封装中集成了驱动程序和 GaN。这种方法可以达到很高的开关转换速率(高达100V / NS)和频率(高达1MHz),并且无振铃或意外损失。集成驱动器还为 GaN 提供了最佳偏置电平,以确保最佳操作和可靠性。此外,TI还具有整合的保护功能,包括高压 GaN 功率级的过流、过温及欠压锁定(UVLO)。
 
3. GaN FET 的功率应用范围和电压范围是多少?
Masoud: TI 提供两个系列的 GaN 功率级解决方案。LMG5200的额定电压是80V 和10A ,而 LMG3410的额定电压是600V 和12A。
 
LMG5200 器件是一款 80V、10A 驱动器兼 GaN 半桥功率级,借助增强模式氮化镓 (GaN) FET 提供了一套集成功率级解决方案。该器件包含两个 80V GaN FET,它们采用半桥配置并由一个高频  GaN FET 驱动器驱动。而 LMG3410,与基于硅材料 FET 的解决方案相比,12A LMG3410功率级与 TI 的模拟与数字电力转换控制器组合在一起,能使设计人员创造出尺寸更小、效率更高并且性能更佳的设计。而这些优势在隔离式高压工业、电信、企业计算和可再生能源应用中都特别重要。


 
 
 
 
 
4. TI GaN FET 的现有产品种类以及分类?
Masoud:  
TI 提供 GaN 栅极驱动器,中等电压(80V)GaN 功率级,高压(600V)GaN 功率级。有关更多信息,请参见 TI 官网氮化镓解决方案。
 
 
 
5. GaN FET 的驱动 IC 与 Si MOSFET 驱动是一样的吗?如果不一样,TI 的专用驱动 IC 有哪些?
Masoud: GaN 需要具有最佳栅极偏置电压的驱动器,以及非常快的传播延迟。为此,TI 设计了GaN 专用驱动程序。这些驱动程序集成了 TI 的功率级解决方案,也提供了独立的驱动程序,比如LMG1205
 
LMG1205 设计用于驱动采用同步降压、升压或半桥配置的高侧和低侧增强模式氮化镓 (GaN) 场效应晶体管 (FET)。该器件集成了工作电压高达100V 的阴极负载二极管,并为高侧和低侧输出设置了独立输入,可最大程度地优化控制的灵活性。
 
6. TI 针对 GaN 的 demo 和 evaluation board 有几款,以及技术支持?
Masoud: 请参阅以下的可用设计列表,TI 提供了广泛的系统设计支持。这其中包括培训、参考设计、全球应用支持和设计服务。

MV设计工具
解决方案 器件 类型 器件型号
MV GaN 评估平台 LMG5200
 
EVM LMG5200EVM-02
48V 负载点 DC/DC 变换器 LMG5200 TPS53632G
 
EVM LMG5200POLEVM-10
48V 负载点 DC/DC变换器 LMG5200
UCD3138
TIDA PMP4497
三轨高VIN DC/DC变换器 LMG5200
UCD3138
TIDA PMP4486
10A 48V三相电机驱动 LMG5200
C2000
TIDA TIDA-00909
三相220V交流伺服驱动 TIDA   TIDA-00915

 
HV设计工具
解决方案 器件 类型 器件型号
HV GaN 评估平台 LMG3410 EVMs LMG3410-HB-EVM
LMG34XX-BB-EVM
500W LLC (400/12V) LMG3410
UCD3138
TIDA PMP20289
1KW CCM PFC 图腾柱 LMG3410
UCD3138
TIDA PMP20873
1kW LLC (400/48V) LMG3410
UCD3138
TIDA PMP20637

       通过德州仪器(TI)全球 GaN 解决方案高级策略与市场经理 Masoud Beheshti 的介绍,我们更加清楚 GaN 的发展已是当下最具颠覆性的技术创新。在需要更高功率的诸如云计算、5G 电信基础设施、风电和太阳能电站及电动和混合动力汽车等行业的日益增长的需求下,在一个追求产品效能的时代,传统的以硅为主要材料的功率半导体,正渐渐面临发展瓶颈,而具有比硅更低导通电阻以及更高切换速度的 GaN(氮化镓)正逐渐成为万众瞩目的焦点。
 
        最后再次感谢 Masoud Beheshti 先生热情接受我们的采访并介绍了 TI 的优秀领先的 GaN 方案。
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