Bán dẫn công suất

Sự miêu tả

Gallium Nitride (GaN) là một vật liệu bán dẫn thế hệ thứ ba (chất bán dẫn vùng cấm rộng). So với silicon truyền thống (Si) và cacbua silic (SiC), nó có những ưu điểm như độ linh động của điện tử cao hơn, điện áp chịu được cao hơn và tần số chuyển mạch cao hơnvà được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điện tử công suất hiệu suất cao.

1. Đặc điểm cốt lõi của GaN

2. Các loại thiết bị nguồn GaN

(1) GaN HEMT (Transitor có độ linh động điện tử cao)

tôi Kết cấu: Dựa trên tiếp xúc dị vòng AlGaN/GaN, một 2DEG (khí điện tử hai chiều) được hình thành để đạt được độ linh động điện tử cực cao.

tôi Đặc trưng:

¢ Điện trở cực thấp (R DS(bật)).

¢ Tốc độ chuyển đổi cực nhanh (mức MHz).

tôi Ứng dụng: Nguồn điện tần số cao (sạc nhanh, RF), LiDAR.

(2) GaN FET (Transitor hiệu ứng trường)

tôi Nâng cao (Chế độ E) : thường tắt, an toàn và dễ lái.

tôi Chế độ cạn kiệt (chế độ D) : Thường mở, cần điện áp âm để tắt (có IC điều khiển).

(3) IC nguồn GaN

tôi Giải pháp tích hợp: Tích hợp mạch GaN FET, mạch điều khiển và mạch bảo vệ.

tôi Thuận lợi: Thiết kế đơn giản hóa và độ tin cậy được cải thiện (ví dụ: Đối với nguồn điện của máy chủ).

3. Ưu điểm cốt lõi của GaN

(1) Tần số chuyển mạch cực cao (mức MHz)

tôi MOSFET Si truyền thống: thường <500kHz.

tôi Thiết bị GaN: Tối đa 10 MHz+, làm giảm đáng kể thể tích cuộn cảm/tụ điện.

tôi Ứng dụng:

¢ Sạc nhanh điện thoại của bạn (chẳng hạn như USB PD 3.1 140W).

¢ Bộ đổi nguồn siêu mỏng (chẳng hạn như bộ sạc GaN 30W của trái cây).

(2) Suy hao dẫn truyền thấp

tôi Thấp hơn 50% so với MOSFET Si có cùng thông số kỹ thuật, cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng (ví dụ: Hiệu suất sử dụng năng lượng của trung tâm dữ liệu >96%).

(3) Hiệu suất nhiệt độ cao

tôi Nhiệt độ làm việc lên đến 200°C+(Si nói chung <150°C), thích hợp với môi trường khắc nghiệt.

(4) Thu nhỏ

tôi Các thiết bị GaN nhỏ hơn 50% đến 70% so với Si ở cùng công suất.

4. Ứng dụng tiêu biểu của GaN

5. So sánh GaN với SiC và Si

6. Thử thách của GaN

1. Chi phí cao: Tấm wafer GaN hiện đắt hơn Si, nhưng chúng đang giảm dần khi bắt đầu sản xuất hàng loạt.

2. Xác minh độ tin cậy: Độ ổn định lâu dài (chẳng hạn như R DS(bật)) động cần được tối ưu hóa hơn nữa.

3. Thiết kế ổ đĩa phức tạp: Một số thiết bị GaN yêu cầu các mạch điều khiển đặc biệt (chẳng hạn như tắt âm).

7. Xu hướng tương lai

1. Mức điện áp cao hơn: Phát triển thiết bị GaN 1200V, tiến tới biến tần chính cho xe điện.

2. Tích hợp: Thêm ics GaN (trình điều khiển tích hợp + bảo vệ) để hạ ngưỡng thiết kế.

3. Sản xuất hàng loạt wafer 8 inch: Giảm chi phí (hiện tại là loại 6 inch phổ biến).

4. Bổ sung với SiC:

¢ GaN: Kịch bản tần số cao, điện áp trung bình thấp (<900V) (sạc nhanh, liên lạc).

¢ SiC: Kịch bản điện áp cao, nhiệt độ cao (xe điện, quang điện).

8. Tóm tắt

tôi Ưu điểm của GaN: Tần số cao, hiệu quả cao, thu nhỏ, thích hợp để sạc nhanh, 5G, trung tâm dữ liệu và các tình huống khác.

tôi Điện áp áp dụng: Hiện nay, đó là chủ yếu dưới 650V, dần dần tiến tới 1200V.

tôi Tương lai: Khi chi phí giảm, GaN sẽ dần dần thay thế MOSFET Si điện áp trung và hạ thế cũng như một phần của thị trường SiC.

Ứng dụng mẫu:

tôi Bộ sạc USB-C Fruit 140W (GaN HEMT cho mật độ năng lượng cực cao).

tôi Xe điện có thể sử dụng GaN cho thế hệ OBC (bộ sạc tích hợp) tiếp theo.