南京集芯光电雷建明:氮化镓功率开关器件及其在超轻薄开关电源领域的应用研究

日期:2021-04-28 来源:第三代半导体产业网阅读:344
核心提示:南京集芯光电技术研究院有限公司技术总监雷建明做了题为“氮化镓功率开关器件及其在超轻薄开关电源领域的应用研究”的主题报告,报告从器件、驱动、控制、拓扑电路等方面全方位提出解决方案,在实现超轻薄目标的基础上,进一步提升产品的效率和工作可靠性。
随着“中国制造-2025”实施和新基建发展,各种电源装置迫切需要突破硅基技术在高耐压、高耐温、便携、小尺寸、高能效等方面的瓶颈,发展能耗低、体积小、重量轻、耐恶劣环境的新一代功率电子技术。
 
近日,2021功率半导体与车用LED技术创新应用论坛在上海举行。本届论坛由半导体产业网和励展博览集团共同主办,并得到第三代半导体产业技术创新战略联盟、国家半导体照明工程研发及产业联盟的指导。
雷建明
会上,南京集芯光电技术研究院有限公司技术总监雷建明做了题为“氮化镓功率开关器件及其在超轻薄开关电源领域的应用研究”的主题报告,报告从器件、驱动、控制、拓扑电路等方面全方位提出解决方案,在实现超轻薄目标的基础上,进一步提升产品的效率和工作可靠性。
 
数据显示,2019年,开关电源年市场容量达1503亿元,年平均增长率>6.5%,市场容量庞大、稳定,前景广阔。高效率、超轻薄、高度集成化、数字化是未来电源领域发展大趋势。与“新基建” 接轨,适应未来标准。
 
 
GaN基电源最大的特点是将工作频率提高数十倍,然而,工作频率的提高会带来更为严峻的噪声处理问题。另一方面,GaN器件阈值电压低、抗噪声能力弱,且存在固有的物理缺陷。
GaN功率开关器件现状来看,存在着动态可靠性、器件现有技术水平、系统制约、国产化等问题。
 
从关键器件角度来看,开关器件互补,Si基MOSFET及小信号器件、GaN HEMT/SiC MOSFET器件、SiC二极管。三类各有用武之地,合理选择,能使性能和成本最优化。
 
定制GaN HEMT器件,优化反向导通特性,使反向损耗下降近60%,以10A为例,下降0.65W;
优化击穿特性,由传统280V提升到650V,抑制俘获效应。
定制GaN基模块,利用3D布局减小尺寸50%以上,减小寄生参数,如杂散电感由传统的数十nH减小至1nH左右。
变压器工艺创新来看,创新微加工变压器工艺使窗口利用率由传统的20%不到提升到大于60%(线间距可由200umm下降至20um左右),提升带宽至5MHz。
 
低频滤波电解电容小型化,采用多级分担的办法可能使电解电容尺寸下降一个档位。
 
从功率电路来看,自激电路采用GaN基开关器件可提升电源工作频率至1MHz,扩展功率等级至50W以上。
 
工频无桥整流电路,器件驱动同步取自市电输入,控制简易,无须芯片与第三方供电,EMI问题小,10A输入时损耗可由34W下降至12W。
矩阵变压器,减小单体承载功率,平衡单体的电压、电流和温度应力,降低高度30%以上。
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