集微公开课第十三期笔记:揭秘纳微GaN功率芯片的集成优势和应用特性

作者: Candy
2020-05-19 {{format_view(13290)}}
集微公开课第十三期笔记:揭秘纳微GaN功率芯片的集成优势和应用特性
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集微网消息,集微直播间自开播以来获得了大量来自行业的关注与好评。其中“集微公开课”栏目联合行业头部企业,通过线上直播的方式分享精彩主题内容,同时设立直播间文字提问互动环节。集微网希望将“集微公开课”栏目打造成中国ICT产业最专业、优质的线上培训课程,深化产教融合,助力中国ICT产业发展。

5月19日(周二)上午10:00,第十三期“集微公开课”邀请到纳微半导体中国区应用中心高级总监徐迎春,带来以《纳微氮化镓功率芯片集成及应用》为主题的精彩演讲。

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近三十年来,电子电力设备均采用传统硅器件设计,开关频率低,功耗大,同时需要大量手工制作的无源元件,这种传统设计导致的最终结果是,系统体积庞大、笨重、效率低、成本高。据统计,传统电子设备每年能耗约占世界总发电量的近20%。

而在电能转换过程中,更高的开关频率可实现更小的体积和更低的成本,因而,开关速度更快、效率更高的氮化镓器件或将全面替代传统的硅器件,目前在中大功率市场和消费类市场应用广泛。

作为全世界首家氮化镓功率芯片厂商,氮化镓快充芯片出货以纳微半导体(以下简称“纳微”)为首。此次,纳微以《纳微氮化镓功率芯片集成及应用》为演讲主题,对氮化镓的技术价值、热门应用、对开关性能提升等多个角度进行了阐述。此次公开课在爱集微APP在线观看人数破万,干货满满!

氮化镓的技术背景

在智能手机的发展历程中,随着手机屏幕、处理器、网络、无线连接及数据存取模块等性能提升,对手机能耗提出了新的要求,对手机的电池容量需求不断增加,快充技术则应运而生。

在快充技术不断升级的过程中,从其基础材料来看,传统的硅器件和氮化镓器件的充电效率出现分化。与传统的硅相比,氮化镓的技术价值在于,能够实现更高的开关频率,从而减少很多无源器件的体积,实现更高功率密度和高效率。

在商用领域,小米公司发布的一款65W的GaN充电器,不仅充电效率高、体积小、便携,而且可以同时给手机和笔记本电脑充电。此外,在将近一年的时间里,Baseus联合纳微推出了多款中大功率充电器产品,且均已经量产,而量产则意味着整个产品的设计规范可靠性,EMI和可生产性也都得到充分验证。

氮化镓的优势所在

据徐迎春介绍,氮化镓当前的主要优势,包括相同晶圆尺寸下的低Rdson;没有反向恢复损耗;门极驱动电荷Qg低、驱动损耗低;寄生结电容COSS 小,容性损耗低;开关速度快等特性。

值得注意的是,氮化镓器件在关断的时候,也可以做反向导通。其中,对于 650V Navitas GaN, VSD 典型值为3.5V,且反向导通没有 Qrr 损耗。

氮化镓的集成IC简介

谈及功率氮化镓的技术,首先需要了解的是氮化镓物理材料的特性,其高压、高频、耐温等层面,都远远优于硅的特性。材料做成氮化镓器件后,在市场上可以分为两类,主流是eMode FET,(增强型),还有一类是dMode FET(耗尽型)。

关于增强型和耗尽型这两类氮化镓器件的优缺点,主要从开关频率、晶圆封装及dV/dt控制等多个角度进行对比。

徐迎春表示,纳微在全世界推出首款功率芯片,就是将门级驱动和逻辑电路进行专业的设计,并与氮化镓芯片结合在一起,从而可以提供高达40MHz开关频率,实现5倍以上功率密度,与硅驱动的GaN功率IC相比,因其结构简单,系统成本可降低20%。

同时,徐迎春强调,从实际应用的电路来看,纳微的多款GaN功率IC产品已经陆续在2018年第一季度量产,客户端也从下半年开始进入应用。

此外,纳微GaN功率IC的集成驱动特色,主要体现在以下几个多个方面:

不仅如此,纳微除了单芯片GaN功率IC,还推出了半桥式GaN功率IC系列产品,两个GaN功率FET,两个GaN驱动器,信号及供电自举线路等,半桥 GaN功率IC基本上可以实现稳定、无过冲的信号输出。

氮化镓对开关电源性能的提升

氮化镓对开关电源性能的提升,最关键的是,GaN可以大幅度降低开关过程的损耗。

徐迎春介绍,从同等的硅和氮化镓来比较,开通过程中,开通损耗是硅的六分之一,关断损耗则是二十分之一。这也就意味着,开关频率的上升,实际上的开关损耗则极大地降低。但是,如果开关频率非常高,开通损耗则不能忽略,还需要加一个软开关。

与此同时,针对氮化镓和硅在低频、高频等不同层面的特性对比,可以得出氮化镓适合高频软开关应用的结论。

氮化镓高频开关电源设计的注意事项

关于氮化镓高频开关电源在设计中的挑战,主要围绕变压器和EMI两大部分来阐述。

对于高频变压器,首先线材选取,基于严重的趋附和临近效应,200k以上线圈最好用0.05-0.08mm的利兹线;其次是磁芯耗损,主要影响因素包括电流波形、占空比、磁通直流偏置等,对磁芯耗损的影响均较大。

从当前的市场现状来看,各家磁芯公司都推出了高频磁芯。“我们希望建立一个更好的生态,不论利兹线还是磁芯,可以进行供应商资源的共享。” 徐迎春表示。

最后来探讨氮化镓高频电源EMI的相关注意事项,主要是开关速度和频率及振铃对噪音源的影响。此外,高dv/dt, di/dt使空间耦合加重,从而对开关电源的设计要求更高。

为了解决上述问题,纳微提出的EMI对策是,高频使的差模转折频率升高,需要的差模电感反而可减小;共模主要靠变压器共模电流对消技术。

举例来看,从原边开关波形Vds噪声源可知,共模电流从原边到副边通过原副边寄生电容耦合,原副边绕组越贴近,耦合越好,寄生电容越大,产生的EMI就越严重。其中,共模电流对消运用到屏蔽和平衡原理,结合辅助绕组、屏蔽层等,其圈数和线宽取决于暂态电压跳变的分布和绝缘层的厚度等系统参数,可以通过细调达到最优值。

公开课预告:

集微直播间自开创以来获得了大量来自行业的关注与好评。5月20日(周三)上午10点,集微公开课第十四期邀请有方科技产品行销总监方荣,带来以《有物联 方智能,Cat.1 迎来新机遇 创造新价值》为主题的精彩演讲。Cat.1对物联网应用的贡献有多大?有方科技将会带来真实案例为您分析。

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5月20日(周三)上午10:00,“集微公开课”第十四期将在爱集微APP平台、新浪微博、B站、百度、西瓜五大直播平台开播,更多干货和精彩内容不容错过哦!

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(校对/Jurnan)

责编: 慕容素娟
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