Силовые полупроводники

Описание

Нитрид галлия (GaN) – это Полупроводниковый материал третьего поколения (широкозонный полупроводник)). По сравнению с традиционным кремнием (Si) и карбидом кремния (SiC) он имеет такие преимущества, как более высокая подвижность электронов, более высокое выдерживаемое напряжение и более высокая частота переключенияи широко используется в высокоэффективных силовых электронных системах.

1. Основные характеристики GaN

2. Типы силовых устройств GaN

(1) GaN HEMT (транзистор с высокой подвижностью электронов)

л Структура: на основе гетероперехода AlGaN/GaN формируется 2DEG (двумерный электронный газ) для достижения чрезвычайно высокой подвижности электронов.

л Функции:

¢ Сверхнизкое сопротивление включения (R DS(on)).

¢ Сверхбыстрая скорость переключения (уровень МГц).

л Приложения: Высокочастотный источник питания (быстрая зарядка, RF), LiDAR.

(2) GaN FET (полевой транзистор)

л Улучшенный (режим E) : обычно выключен, безопасен и прост в управлении.

л Режим истощения (D-режим) : Нормально разомкнутый, для выключения требуется отрицательное напряжение (с помощью микросхемы драйвера).

(3) ИС питания GaN

л Комплексное решение: Интеграция GaN FET, драйверов и схем защиты.

л Преимущества: Упрощенная конструкция и повышенная надежность (например, для источника питания сервера).

3. Основное преимущество GaN

(1) Сверхвысокая частота переключения (уровень МГц)

л Традиционный Si MOSFET: обычно <500 кГц.

л GaN-устройства: до 10 МГц+, что значительно уменьшает объем катушки индуктивности/конденсатора.

л Приложения:

¢ Быстрая зарядка телефона (например, USB PD 3.1 140 Вт).

¢ Ультратонкий адаптер питания (например, зарядное устройство GaN мощностью 30 Вт).

(2) Низкие потери проводимости

л Более чем на 50% ниже, чем у кремниевых МОП-транзисторов той же спецификации, что повышает энергоэффективность (например, энергоэффективность центра обработки данных> 96%).

(3) Высокотемпературная производительность

л Рабочая температура до 200°С+(Si обычно <150°C), подходит для суровых условий.

(4) Миниатюризация

л Устройства GaN на 50–70% меньше, чем устройства Si при той же мощности.

4. Типичные применения GaN

5. Сравнение GaN, SiC и Si

6. Проблема GaN

1. Высокая стоимость: Пластины GaN на данный момент дороже Si, но их стоимость постепенно снижается по мере начала массового производства.

2. Проверка надежности: Долгосрочная стабильность (например, динамическое R DS(вкл)) требует дальнейшей оптимизации.

3. Сложная конструкция привода: Некоторым устройствам GaN требуются специальные схемы управления (например, отрицательное выключение).

7. Будущие тенденции

1. Более высокие уровни напряжения: Разработка устройств GaN на 1200 В, переход к основным инверторам для электромобилей.

2. Интеграция: Больше GaN-схем (интегрированный драйвер + защита) для снижения расчетного порога.

3. Массовое производство 8-дюймовых пластин: Снижение стоимости (в настоящее время основной 6-дюймовый).

4. Дополняет SiC:

¢ GaN: Сценарии с высокой частотой и средним низким напряжением (<900 В) (быстрая зарядка, связь).

¢ Карбид кремния: Сценарии высокого напряжения и высоких температур (электромобили, фотоэлектрические системы).

8. Резюме

л Преимущества GaN: Высокая частота, высокая эффективность, миниатюризация, подходит для быстрой зарядки, 5G, центров обработки данных и других сценариев.

л Применимое напряжение: В настоящее время, это в основном ниже 650В, постепенно приближаясь к 1200В.

л Будущее: По мере снижения стоимости GaN постепенно заменит кремниевые МОП-транзисторы среднего и низкого напряжения и часть рынка SiC.

Образец заявления:

л Зарядное устройство Fruit USB-C мощностью 140 Вт (GaN HEMT для сверхвысокой плотности мощности).

л Электромобили могут использовать GaN для следующего поколения OBC (бортового зарядного устройства).