本文(上)回顧了氮化鎵的發(fā)展歷程,并介紹了意法半導(dǎo)體MasterGaN產(chǎn)品系列和解決方案;本文(下)將介紹意法半導(dǎo)體VIPerGaN產(chǎn)品系列和解決方案。
電源的高功率密度及小型化的趨勢(shì)已經(jīng)持續(xù)了幾十年,預(yù)計(jì)將繼續(xù)強(qiáng)勁增長(zhǎng),并在更多的市場(chǎng)應(yīng)用中出現(xiàn)。氮化鎵這樣的寬禁帶器件極大的加速了高壓功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用的小型化和效率的提升。ACDC適配器領(lǐng)域。氮化鎵的出鏡率已經(jīng)非常之高。我們看到了在移動(dòng)設(shè)備上高功率密度及小型化的迫切需求。隨著能源效率需求的增加,我相信這只是冰山的一角。IHS預(yù)測(cè),從2025年到2028年,氮化鎵設(shè)備的出貨量將以30%的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)。
氮化鎵器件的采用已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了智能手機(jī)以及我們個(gè)人電腦的超高速充電的應(yīng)用。有些優(yōu)秀的企業(yè)已經(jīng)將智能手機(jī)的充電時(shí)間縮短到10分鐘以內(nèi)。如今,數(shù)據(jù)中心占世界能源消耗的2%。氮化鎵平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)更高效、更高功率密度的電源供應(yīng),大大降低了擁有成本,節(jié)約了地球資源。就像電力電子的理想模型一樣,氮化鎵技術(shù)使工業(yè)應(yīng)用的電源能夠處理更多的電力,使它們變得更小、更輕、更節(jié)能。
那么是什么讓氮化鎵如此特殊?大家都知道,氮化鎵相對(duì)于傳統(tǒng)硅器件,具有更高的代隙。帶隙是電子從價(jià)帶頂部躍遷到導(dǎo)帶底部所需要的能量。氮化鎵可以承受更強(qiáng)的電場(chǎng),施加更高的電壓。同時(shí),氮化鎵具有更高的遷移速率和飽和速度,這就是氮化鎵晶體管切換速度快十倍的原因。
較高的電子遷移率意味著在相同的電阻和擊穿電壓下,器件可以更小??偠灾壙梢怨ぷ髟诟叩碾妷?、更高的頻率,并使用更小的磁性材料。這意味著我們可以在更高的開關(guān)頻率下,以更高的效率運(yùn)行電源,從而使我們能夠使用更小的磁性器件和更好的冷卻方案。
從而在更小的系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)更高的功率密度。正如我們多年來所看到的。新技術(shù)的采用遵循著正態(tài)分布模式,早期采用者和有遠(yuǎn)見的人很快就能看到新技術(shù)的長(zhǎng)期價(jià)值,并盡早開始開發(fā)。隨著技術(shù)的成熟,好處和價(jià)值也變得越來越清晰,大多數(shù)人也隨之也一起開始開發(fā)。
由于快速充電器技術(shù)的高使用率,氮化鎵在2020年和2021年飛速發(fā)展。氮化鎵技術(shù)使得智能手機(jī)、平板電腦和筆記本電腦非常緊湊的適配器的制造成為可能。從上圖左下角的圖表可以看出,氮化鎵非常適用于百瓦級(jí)的功率適配器。
對(duì)適配器也有很大好處的是氮化鎵的高開關(guān)頻率。高開關(guān)頻率允許電源工程師減少其電源中磁性和無(wú)源器件的尺寸。意法半導(dǎo)體的MasterGaN產(chǎn)品是世界上第一個(gè)將硅驅(qū)動(dòng)器及兩顆氮化鎵功率器件集成在一個(gè)封裝中的半橋結(jié)構(gòu)的解決方案。這也推動(dòng)了電力轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的新浪潮。
MasterGaN內(nèi)部集成了兩顆氮化鎵功率管以及柵極驅(qū)動(dòng)器,可以由內(nèi)部自舉二極管輕松實(shí)現(xiàn)供電。上下管的驅(qū)動(dòng)部分都設(shè)有過壓,保護(hù)、過溫保護(hù),防止MasterGaN在低效率以及各種危險(xiǎn)的情況下運(yùn)行。除了各種保護(hù)功能之外,MasterGaN 的上下管還有護(hù)鎖功能。
這樣就可以有效避免半橋結(jié)構(gòu)在某些特殊情況下發(fā)生上下管直通的風(fēng)險(xiǎn)。簡(jiǎn)化了工程師對(duì)芯片的風(fēng)險(xiǎn)考慮,并且使得芯片的穩(wěn)定性更好。MasterGaN采用QFN9x9封裝。輸入引腳擴(kuò)展范圍從負(fù)的3.3V一直到正的15V。
具有遲滯和下拉功能,方便與微控制器以及或傳感器連接。芯片設(shè)有專用的使能引腳,可以輕輕松實(shí)現(xiàn)power up 和power down 的功能。這樣集成了功率管和驅(qū)動(dòng)器的好處有哪些呢?
如上圖所示:
這樣做我們可以更大的優(yōu)化三級(jí)layout的布局,使得電路更加高效。
最小化寄生參數(shù)可以使器件工作在更高的開關(guān)頻率,使得功率密度可以更高。
這種做法可以使我們的工程師在使用器件的時(shí)候更加的容易方便。
目前,意法半導(dǎo)體正在量產(chǎn)的MasterGaN產(chǎn)品共有5款。從下圖可以清晰的看到各個(gè)部件的內(nèi)阻參數(shù)以及可覆蓋的功率范圍。
其中,MasterGaN2和MasterGaN3為非對(duì)稱結(jié)構(gòu)。適用于ACF及非對(duì)稱半橋的拓?fù)?。MasterGaN1 MasterGaN4以及MasterGaN5 為對(duì)稱結(jié)構(gòu)適用于各種LLC、ACF以及AHB等top。所有MasterGaN產(chǎn)品系列都符合QFN9X9的封裝,并且引腳pin2pin兼容。
MasterGaN 內(nèi)部框圖如上圖所示。大概可以將MasterGaN 分為三個(gè)功能模塊。最左邊藍(lán)色的區(qū)域就是我們剛剛提到的實(shí)現(xiàn)過溫過壓以及互鎖功能的邏輯電路。中間黃色的這部分區(qū)域是我們的氮化鎵驅(qū)動(dòng)電路。右邊的紅色的區(qū)域是我們的上管以及我們的下管氮化鎵。
目前使用ST-One搭配的MasterGaN產(chǎn)品,實(shí)現(xiàn)了一個(gè)超高功率密度的解決方案。針對(duì)于USB PD充電器市場(chǎng),使用該方案可以相較于傳統(tǒng)的充電器體積上縮小四倍,使用更少的機(jī)殼材料。
該方案會(huì)相較于傳統(tǒng)的充電器,它的效率更高。這也意味著在電網(wǎng)上帶來的損耗更小,更加節(jié)能。下圖是ST-One搭配MasterGaN 65W評(píng)估板的介紹。下圖左下角列出了板端的關(guān)鍵器件。分別由控制器ST-One、半橋氮化鎵器件MasterGaN2、以及同步整流MOSFET 和loadswitch MOSFET 的組成。評(píng)估板可以支持90V到264V交流電壓范圍輸入,頻率可支持范圍在47赫茲到63赫茲之間;同時(shí)滿足COCTier2以及DOE6級(jí)能效的要求。其已通過CISPR22B,即EN55022B的EMC標(biāo)準(zhǔn),可支持的協(xié)議有USBPD、PPS、SCP、FCP和QC協(xié)議。
65W評(píng)估版的高壓滿載效率接近94%。四點(diǎn)平均效率也在COC Tier2 以及DOE標(biāo)準(zhǔn)之上。在115伏交流輸入的情況下。峰值效率可以做到92%以上,且四點(diǎn)平均效率也遠(yuǎn)高于COC及DOE的標(biāo)準(zhǔn)。
-
電阻
+關(guān)注
關(guān)注
87文章
5626瀏覽量
175179 -
智能手機(jī)
+關(guān)注
關(guān)注
66文章
18624瀏覽量
183848 -
意法半導(dǎo)體
+關(guān)注
關(guān)注
31文章
3261瀏覽量
109994
發(fā)布評(píng)論請(qǐng)先 登錄
意法半導(dǎo)體推出EVL250WMG1L諧振轉(zhuǎn)換器參考設(shè)計(jì)
意法半導(dǎo)體推出STM32WBA6系列MCU新品

意法半導(dǎo)體推出250W MasterGaN參考設(shè)計(jì)
意法半導(dǎo)體STGAP3S系列電隔離柵極驅(qū)動(dòng)器概述
意法半導(dǎo)體發(fā)布250W MasterGaN參考設(shè)計(jì)
麥克泰技術(shù)亮相意法半導(dǎo)體工業(yè)峰會(huì)
淺談意法半導(dǎo)體下一代汽車微控制器
2024年意法半導(dǎo)體工業(yè)峰會(huì)精彩回顧
文曄亮相意法半導(dǎo)體工業(yè)峰會(huì)

意法半導(dǎo)體2024工業(yè)峰會(huì)圓滿落幕
第六屆意法半導(dǎo)體工業(yè)峰會(huì)2024
意法半導(dǎo)體與高通合作開發(fā)邊緣AI物聯(lián)網(wǎng)解決方案
意法半導(dǎo)體與高通攜手推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)解決方案
意法半導(dǎo)體物聯(lián)網(wǎng)eSIM解決方案簡(jiǎn)介

評(píng)論