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德州仪器(TI)日前面向汽车和工业应用推出新一代650V和600V氮化镓(GaN)场效应晶体管(FET)。与现有硅基或碳化硅解决方案相比,新的GaN FET系列采用快速切换的2.2MHz集成栅极驱动器,可提供两倍的功率密度和高达99%的效率,并将电动汽车充电器中的电源磁性器件尺寸和车载充电器尺寸分别缩小了59%和50%。

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。

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。

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。

“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。

对功率密度和效率永无止境的追求

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。

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。

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。

TI 高压电源应用产品业务部应用工程师张奕驰介绍 LMG3525R030-Q1 650V车用GaN FET评估板时称,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。

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。

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。

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。

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。

文稿来源:电子工程专辑


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