集成驱动和安全功能的车用GaN FET问世,充电更快续航更强

2020-11-16来源: EEWORLD关键字:GaN  PFC  DC  驱动  充电

在推出业界首个集成驱动的600V工业GaN FET之后,TI(德州仪器)于近日推出集成驱动器、保护以及温度报告的车用和工业用GaN FET,继续奠定TI在GaN领域的领导地位。


TI高压电源应用产品业务部氮化镓(GaN)功率器件产品线经理Steve Tom先生日前接受媒体采访,就TI GaN产品的高性能,高可靠性以及高集成度等方面进行了解读。


GaN的优势与集成驱动的智能化GaN


GaN凭借其特性,广泛应用在LED、射频、电源转换等领域,而具体在电源管理应用上,GaN的优势包括:


1. 传导损耗小,能效高。GaN晶体管的导通电阻(RDSon)是传统硅器件的一半,在相同输出电流下损耗更小,能效更高。低损耗同时意味着低发热,从而可以有效地简化散热器件和热管理系统设计。

2. GaN晶体管内不含体二极管,没有反向恢复损耗。

3. GaN晶体管的输入电荷非常小,几乎没有栅极驱动损耗。

4. GaN功率器件可以支持更高的开关频率(GaN:1MHz,Si:<100KHz),从而减小无源器件的体积。

5. GaN器件的功率密度很大,能够达到硅基LDMOS的四倍以上,在减小体积的同时可以增大输出功率。


“传统解决方案中,我们通常要在低成本、高可靠性、小体积以及优秀系统性方面有所取舍。得益于GaN的优质特性,TI GaN可以同时满足所有这些优秀的表现。”Tom总结道。


尽管GaN的特性足够强,但是想要真正用好,还需要颇费周折的。采用分立功率晶体管和驱动IC的方案,这要求设计人员必须学习如何让它们协同工作,实现最佳性能。


TI日前分别面向汽车和工业应用推出下一代集成驱动的650V和600V GaN FET,包括LMG3522R030-Q1和LMG3525R030-Q1车规650V产品以及LMG3422x及LMG3425 x 600V工业级产品。与现有解决方案相比,新的GaN FET系列采用快速切换的2.2 MHz集成栅极驱动器,可帮助工程师提供两倍的功率密度和高达99%的效率,并将电源磁性器件的尺寸减少59%。TI利用其独有的GaN材料和在硅基GaN衬底上的加工能力开发了新型FET,与SiC等同类衬底材料相比,更具成本和供应链优势。


GaN器件过去常常被封装为分立式器件,并由单独的驱动器驱动,这是因为 GaN 器件和驱动器基于不同的处理技术,并且可能来自不同的厂商。每个封装将会有引入寄生电感的焊线和引线。当以每纳秒数十到几百伏电压的高压摆率进行切换时,这些寄生电感会导致开关损耗、振铃和可靠性问题。2018年起,TI基于硅基GaN的技术,将 GaN 晶体管与其驱动器集成在一起可以消除共源电感,并且极大降低驱动器输出与 GaN 栅极之间的电感,从而实现更多益处。


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如图所示(车规产品预计2021年一季度发布),TI GaN产品都是集成了驱动器和保护电路,这得益于公司多年来在硅工艺、第三代半导体工艺以及封装方面的领先优势所开发的。


Tom也表示,集成驱动可以给GaN带来四点好处,具体包括功率密度加倍,PFC中更高效率,超冷却封装以及可靠性和低成本。


“总的来说,我们的产品与市场同类产品相比最大的优势是集成了驱动和保护,使得我们是一个更智能的产品,而不仅仅是一个GaN FET。”Tom说道。


四大优势之一:功率密度加倍


在高电压、高密度应用中,电路板空间最小化是设计中的重要目标。随着电子系统变得越来越小,其内部组件也必须不断缩小并更加紧凑。TI的新型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。这种集成再加上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,每个新型30mΩ FET均可支持高达4 kW的功率转换。 


Tom总结道:“首先,将导通电阻降低至30mΩ,其次,改善封装的热性能。新一代产品采用新的12x12mm封装,与上一代产品相比可将热阻降低50%以上。其热阻抗比性能最接近的同类产品还要低23%。”


Tom举例道:“通过集成,可以使寄生电感更小,提高压摆率,从而得到150 V /ns和2.2MHz的切换速度,在增加功率密度的情况下维持了系统的稳定。”


四大优势之二:PFC中更高效率


“在超大规模的企业级计算平台以及5G电信整流器等AC/DC电力输送应用中达到99%效率。”TI给出的数据显示,GaN技术无疑是高功率AC/DC应用中的最佳选择。


但在以往,由于死区时间的限制,要获得快速的开关性能,就需要牺牲一些功率效率。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。根据TI给出的数据,在PFC中,智能死区自适应功能与分立式GaN和SiC 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。


死区时间损耗与反向传导电压有关设备。对于硅MOSFET,这个电压是由其体二极管的特性决定的。对于GaN HEMT反向传导电压取决于第三象限特性。与硅MOSFET体二极管相比,GaN HEMT的Vsd降更高,因为Vth-VG通常高于门关闭时为0.7 V。例如,商用650伏增强模式(e-mode)GaN器件具有典型的阈值电压为1.7v,高于硅体二极管的本征电压降。对某些人来说在大功率应用中,通常采用负的关态栅电压来减轻串扰的影响。因此,考虑到负栅偏压为-3v,反向电压降从4.7v开始,然后增加随着负载电流的增加。类似地,在耗尽模式(d-mode)GaN器件中观察到高的反向传导电压。根据关断状态下应用的门到源电压,反向电压降在5-7 V的范围内。可以看出,高反向传导电压会导致过多的死区时间。


如果死区时间较长,则会造成损失,这会影响系统效率和器件的热极限。


一种常用的缩短死区时间的方法是自适应死区时间控制。死区时间可根据需要选择最短死区时间,基于不同操作条件下的器件特性。然而,这种方法需要密集的对设备进行测试,不易处理零件变化。另一方面,自适应死区时间结合不同的电路实现方案,比如使用快速比较器检测开关节点电压,或者使用计数器方案,都会需要时间来执行,可能会引起可靠性、延迟时间等问题。


TI集成的智能死区自适应功能,可以在没有外部电路的情况下优化死区时间,提高系统整体性能。该技术允许GaN FET在检测到负漏源电压时,极短的延迟内就可以由内置的栅极驱动器自动打开GaN FET。当栅极打开时,器件不再关闭,电压降将取决于导通状态下的电阻,这大大减少了死区内的损耗量。


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如图所示,TI的智能驱动技术相比SiC和GaN,死区损失较小


四大优势之三:超冷却封装


TI的集成驱动GaN FET采用12×12 QFN封装。对比其他水平接近的友商来说,TI独特的封装技术能够减少23%的热阻抗。而且针对不同应用,还提供底部或顶部散热封装选型,尤其是针对汽车应用,通过散热片、水冷等顶部散热方式,可以实现更高的功率密度。此外,FET中集成了数字温度报告功能,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。 


四大优势之四:可靠性和成本优势


Tom表示,2010年开始,TI就已经开始研发GaN技术,2017年与西门子推出了首个10千瓦连接云电网的转换器。


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TI联合西门子展示连接云电网的转换器


为了避免信号延迟,驱动器总是更希望与FET离得更近,同时高度集成方案的可靠性、设计周期、产品认证以及总成本等方面也明显优于分立式方案。同时,集成驱动器确保了感测电路与 GaN FET 之间尽可能少的电感连接,这样的话,电流保护电路可以尽可能快地做出反应,以保护器件不受过流应力的影响。


Tom补充道,就TI的GaN FET本身,已经进行了4000多万小时的器件可靠性测试和超过5 Gwh的功率转换应用测试。


2018年,TI发布了600V GaNFET集成驱动的产品之时,为了保证用户使用体验,TI投入大量人力物力,累计进行了超过2000万小时的设备可靠性测试,使得电源设计工程师可以更放心地在各种电源应用中使用GaN。而在两年后,随着新一代产品的发布,可靠性测试总时长又增加了一倍。


不同于传统芯片测试,压力测试需要包括常见于开关电源设备的硬开关工作模式,硬开关电路包括buck和boost变换器、功率因数校正电路、逆变器和电机驱动器。硬开关以一种不同的方式对器件施加压力,因为它包括一个短暂的瞬间,即器件同时承受高电压和高电流。“在硬开的时候可以将功率等级在4000瓦以上,会进行一周7×24小时的测试,并且在测试的同时进行数据采集,来判断以及分析GaN的可靠性。”Tom说道。


TI的测试主要集中于以下四个领域:


1.设备可靠性:符合设备的工程设计;构建设备内在的使用寿命。

2.应用健全性:在加速环境下,整合任务剖面条件,模拟真实应用情形。

3.制造:专注于生产流程优化和产能改进。

4.符合电子工程设计发展联合协会(JEDEC)质量要求:通过提速测试设备质量和存活能力,来预见产品的低缺陷率和故障率。


此外,2017年JEDEC宣布制定完成了JC-70.1,它规范了GaN的可靠性和质量认证流程、数据资料表、参数以及测试和特性表征方法。TI是JC-70.1标准的创始人与积极倡导者之一。


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在完成2000万小时可靠性测试里程碑时,Tom开心地拿着评估子卡


成本优势既体现在高集成上,同时更体现在硅基GaN可以更好地利用成熟可靠且便宜的硅,而不是采用价格昂贵且小尺寸的碳化硅晶圆,同时工艺更难稳定。


Tom表示:“我们所有GaN产品都是在达拉斯自有工厂中生产的,因此可以更好掌握整个供应链。未来我们正朝向更大尺寸方向发展,使成本进一步降低。”


为了体现产品带来的优异性能和快速设计等特点,TI也提供了不同的评估套件、参考方案、设计文档、技术白皮书和教程,客户可以进行快速产品导入。


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LMG3425R030 子卡,具有两个带集成驱动器和保护功能的600V、30Ω GaN FET,并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。提供的插口可轻松与外部功率级连接。


展望未来,Tom总结道:“汽车具有多层级的电源转化,因此GaN除了AC/DC的PFC转换之外,也非常适合高压DC/DC等应用领域。而在工业方面,除了电源转换相关应用之外,因其良好的开关特性以及非常高的压摆率,或许会出现在精密测试仪器中。”

关键字:GaN  PFC  DC  驱动  充电 编辑:冀凯 引用地址:http://news.eeworld.com.cn/qcdz/ic516679.html 本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。

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