氮化鎵晶體管有什么樣的應用

什么是氮化鎵晶體管？它有什么作用？硅功率MOSFET還沒有跟上電力電子行業(yè)的發(fā)展變化，在這個行業(yè)中，效率、功率密度和更小的形式等因素是社區(qū)的主要需求。電力電子工業(yè)已經(jīng)達到硅MOSFET的理論極限，現(xiàn)在需要轉移到新的元素。氮化鎵或氮化鎵是一種高流動性的半導體電子半導體（HEMT），在滿足新的應用方面被證明是一種真正的附加價值。

氮化鎵晶體管比硅MOSFET快得多，也小得多。氮化鎵的性能表明，效率和性能有了顯著的提高，導致了一些新的應用，這是硅技術無法實現(xiàn)的。董事會空間是非常昂貴的。eGaN?FETs，來自EPC，以低電感、低電阻、低成本的LGA或BGA封裝提供。此外，在硬開關和軟開關應用方面，它們?yōu)樵O計人員提供了同類產(chǎn)品中最好的。

氮化鎵場效應晶體管

GaN開關器件有兩種不同的類型：增強模式（e-GaN）和cascode耗盡模式（d-GaN）。一個e-GaN作為一個普通的MOSFET工作，即使它有一個門到源的電壓降低。它提供了一個更簡單的封裝，一個低電阻沒有身體二極管與雙向通道，表現(xiàn)像這樣。

d-GaN晶體管通常是打開的，需要一個負電壓。您可以通過將HEMT晶體管與低壓硅MOSFET串聯(lián)來克服這個問題

相比之下，e-GaN晶體管通常是關閉的，并在施加正電壓的情況下打開。與d-GaN不同，e-GaN設備不需要負的啟動偏置：當柵極上的偏置為零時，設備被關閉，不傳導任何電流。

e-GaN場效應晶體管的閾值低于硅場效應晶體管的閾值。這提供了一個非常低的門極-漏極電容（CGD）。它的低電容結構允許在兆赫頻率的毫微秒內轉換數(shù)百伏特。與CGD相比，柵源電容（CGS）是另一個較大的參數(shù)，這使得GaN FETs具有良好的抗dv/dt能力。電源開關器件的dV/dt靈敏度是由各種寄生電容和門驅動電路阻抗引起的。另一方面，門電荷Qg參數(shù)表示設備快速變化的能力，達到更高的dV/dT而開關損耗最小。e-GaN器件比MOSFET高10倍，而d-GaN器件比MOSFET高2 -5倍。

要確定電源開關的dV/dt靈敏度，可以使用一個名為Miller充電比（QGD/QGS1）的數(shù)值。一個米勒電荷比小于1將保證理論上的dV/dt免疫。柵極驅動電路布局是提高抗dV/dt能力的關鍵因素。

d-GaN晶體管具有低壓硅場效應晶體管的柵極。因此，現(xiàn)有的商用MOSFET門驅動器可以很容易地操作d-GaN開關。d-GaN器件的一個不利的影響是由于硅場效應晶體管的點火電阻的增加而產(chǎn)生的較高的點火電阻。對于低電壓（《200 V），這種增加是顯著的。對于高電壓（600 V），這種增加的電阻只能是總電阻的5%左右。

d-GaN晶體管增加了封裝的復雜性。MOSFET器件與GaN HEMT之間的寄生電感和電容可能會在開關瞬態(tài)過程中造成延遲。在開關類型中，器件的反向導電特性是很重要的。在MOSFET中，體二極管的壓降很低，其反向恢復非常緩慢，導致了顯著的高開關損耗。

氮化鎵器件沒有反向體二極管，但由于其物理性質，可以反向導電。在反向傳導的情況下，將有必要有空載時間。級聯(lián)的d-GaN器件由于串聯(lián)MOSFET中的低壓硅而具有反向恢復能力。

在硬開關變換器中，輸出電荷在每次通電過渡時在場效應管中耗散。這種損耗與QOSS、總線電壓和開關頻率成正比。氮化鎵場效應晶體管的QOSS明顯低于硅場效應晶體管，降低了每個周期的輸出電荷損耗，因此允許更高的頻率（圖2）。

為汽車和消費者提供解決方案

新興的計算應用程序在更小的形式上需要更多的能力。除了擴大需求的服務器市場，一些最具挑戰(zhàn)性的應用程序多用戶游戲系統(tǒng)，自動汽車，和人工智能汽車系統(tǒng)越來越朝著48 V設備，由電子控制高能耗的增加功能和自動車輛的出現(xiàn)，從激光雷達等系統(tǒng)創(chuàng)建額外的要求，雷達、相機和能量分布系統(tǒng)上的超聲波傳感器。這些處理器是“高耗能的”，是汽車行業(yè)傳統(tǒng)12v配電母線的額外負擔。對于48v總線系統(tǒng)，GaN技術提高了效率，減小了系統(tǒng)規(guī)模，降低了系統(tǒng)成本。一個250 kHz GaN解決方案與兩倍的頻率允許減少35%的大小，導致減少電感器DCR損耗，以及削減系統(tǒng)成本約20%相比，MOSFET解決方案。氮化鎵具有極高的電子遷移率和較低的溫度系數(shù)，因此可以獲得較低的QG和零QRR。最終的結果是一種能夠以非常高的開關頻率和低的準時率來管理任務的設備，這對那些以開機狀態(tài)損耗為主的設備來說是有益的。

“高功率EPC eGaN?FETs在工作狀態(tài)下提供更低的電阻，更低的電容，更高的電流和優(yōu)異的熱性能，這些功率轉換器具有98%以上的效率?！边@一家族的eGaN FETs一半電阻（RDS（on）），使高電流和高功率密度的應用。亞歷克斯·利多博士說，他是EPC公司的首席執(zhí)行官和聯(lián)合創(chuàng)始人。

與上一代相比，最新一代的eGaN FETs在改善高頻功率轉換應用中的開關性能方面的優(yōu)點也減少了一半。將GaN的性能優(yōu)勢提高到30v可以用于為隔離電源、pc和服務器構建高功率DC/DC轉換器、PoL轉換器和同步整流器。

采用諸如EPC2045等eGaN?場效應晶體管，可以實現(xiàn)最小、最經(jīng)濟有效和最高效率的非隔離48v - 12v轉換器，適用于高性能計算和電信應用。EPC2045的工作溫度di -40至+150°C，熱阻di 1.4°C/W。漏源極導通電阻為5.6 mΩ典型

在消費市場，便攜式解決方案正變得越來越“耗能”?？紤]到筆記本電腦的體積很小，有時使用冷卻解決方案，有時幾乎為零，因此能夠管理效率和熱管理是非常重要的。對快速、高效充電器的需求引導市場向新的GaN解決方案發(fā)展

激光雷達

當在激光雷達系統(tǒng)中打開激光時，eGaN?fet和集成電路是合乎邏輯的選擇，因為fet可以被激活，產(chǎn)生具有極短脈沖寬度的高電流脈沖。短脈沖寬度導致更高的分辨率，更高的脈沖電流允許激光雷達系統(tǒng)看到更遠。這兩個特點，加上它們極小的體積，使GaN成為激光雷達的理想選擇。

EPC提供各種開發(fā)板。EPC9144主要用于驅動高電流激光二極管，具有高電流脈沖，總脈沖寬度為1.2 ns，電流可達28a。該板是圍繞15v EPC2216 eGaN?FET汽車認證AEC-Q101設計的。EPC9126和EPC9126HC開發(fā)板主要用于驅動高電流脈沖的激光二極管，總脈沖寬度低至5納秒（峰值的10%）。它們采用100V EPC2212和EPC2001C增強模式（eGaN?）場效應晶體管（FET）設計，分別能夠承受75 A和150 A的電流脈沖。

基于這一技術，賽普頓最先進的激光雷達解決方案Helius提供了先進的目標檢測、跟蹤和分類能力，為智能城市、交通基礎設施、安全等領域提供了廣泛的應用。它體現(xiàn)了三種前沿技術的空前融合：由Cepton的專利微動技術（MMT?）驅動的行業(yè)領先的3D激光雷達傳感;最小數(shù)據(jù)負擔和最易集成的邊緣計算;以及用于實時分析的內置高級感知軟件。

“激光雷達也已經(jīng)成為一個非常重要的市場。它可能是最被認可的自動駕駛汽車解決方案。然而，一個增長更快的市場是短距離激光雷達，它被用于機器人，只需要看到幾英尺，避免碰撞的無人機，和駕駛員的警覺性系統(tǒng)。短程激光雷達系統(tǒng)不像遠程激光雷達系統(tǒng)需要那么多的電流，但看到短距離意味著你需要一個更快的脈沖。因為如果你測量的是一米以外的東西，這意味著返回信號將在幾納秒內返回。我們已經(jīng)演示了脈沖寬度小于1.2納秒的短程激光雷達系統(tǒng)。亞歷克斯·利多說道。

無線供電

“無線能源已準備好融入我們的日常生活。亞歷克斯·利多說。發(fā)射機可以放置在家具，墻壁，地板，以有效和經(jīng)濟的電力或充電我們的電子和電子設備在大面積和跨多個設備。無線能量傳輸?shù)母拍钜呀?jīng)為人所知有一段時間了，準確的說是100多年前，可以追溯到特斯拉線圈的發(fā)明。無線能量傳輸?shù)囊粋€關鍵因素是效率：為了能夠有效地定義系統(tǒng)，發(fā)電機傳輸?shù)拇蟛糠帜芰勘仨毜竭_接收設備。

磁共振技術是實現(xiàn)無所不在的關鍵——使大面積的傳輸成為可能，為定位接收設備提供空間自由，以及同時為多個設備供電的能力。

EPC提供了全方位的發(fā)射機和接收機參考設計，從單個設備充電到多個設備同時供電跨越一個大的表面積。GaN使得低頻率（Qi）和高頻率（空氣燃料）標準的高效率更低的成本成為可能;單發(fā)射放大器解決方案，可以無線充電設備，無論使用的標準在接收設備。依賴Qi標準的無線充電系統(tǒng)通過感應耦合在100到300千赫的頻率范圍內運行。

音頻應用程序

D類音頻系統(tǒng)的低功耗產(chǎn)生更少的熱量，節(jié)省空間和印刷電路板的成本，并延長便攜式系統(tǒng)的電池壽命。GaN fet提供高保真度D級音頻放大器。然而，最近，隨著具有更好物理性能的gan基高電子遷移率晶體管（HEMT）器件成為現(xiàn)實，D類放大器性能的飛躍近在咫尺。

eGaN?fet的低電阻和低電容提供了低瞬態(tài)互調失真（T-IMD）?？焖俚拈_關能力和零反向恢復電荷使更高的輸出線性和低交叉失真為低總諧波失真（THD）。

“一流的D放大器是專為汽車設計的，因為他們想讓汽車擁有更多的揚聲器和更大的功率。A類放大器太大了，不能產(chǎn)生超過25瓦的功率，而且還能裝在儀表盤里。D級轎車于20世紀80年代首次推出，配備了16個揚聲器，功率為250瓦。但是音質從來沒有a級功放和d級功放好，這是因為mosfet的切換速度不夠快，所以切換頻率相對較低，復制質量相對較差。當然，有了GaN設備，你可以使用更高的頻率。

空間應用

氮化鎵的增強模態(tài)版本（eGaN）被廣泛應用于空間應用的開發(fā)。商用GaN電源設備比傳統(tǒng)的基于硅技術的Rad硬器件具有更高的性能。這使得創(chuàng)新架構得以實現(xiàn)，并在衛(wèi)星、數(shù)據(jù)傳輸、無人機、機器人和航天器上得到應用。

伊根場效應晶體管提供了抗輻射能力，快速的開關速度，提高了效率，導致更小和更輕的電源（更小的磁鐵和更小的散熱器尺寸，甚至在許多情況下消除散熱器）。電源設計人員可以選擇增加頻率，讓磁鐵更小，提高效率或設計一個令人滿意的平衡兩者。伊根場效應晶體管也比等效的mosfet小。更快的瞬態(tài)響應也可以減少電容器的尺寸。以上就是氮化鎵晶體管解析，希望能給大家?guī)椭?/p>