南京芯干线周阳:氮化镓功率器件及在数字电源中的应用

日期:2021-10-11     来源:半导体产业网    
核心提示:随着技术的进步和成本的下降,氮化镓将在中小功率应用里面逐步取代硅MOSFET(尤其是超结MOSFET),2025年氮化镓充电器总额将超过82亿元,渗透率将超过60%。
氮化镓广泛应用于LED照明,并在无线应用中发挥越来越重要的作用。随着工艺的进步和缺陷率的不断降低,氮化镓在交直流电力转换、改变电压电平,并且以一定数量的函数确保可靠电力供应的电子电源中的优势越来越明显。基于氮化镓的开关功率晶体管可实现全新电源应用,与之前使用的硅材料晶体管相比,在高压下运转时,性能更高,损耗更低。
 
近日,由半导体产业网、第三代半导体产业(公号)、博闻创意会展(深圳)有限公司共同主办的“2021第三代半导体技术及充电产业合作论坛”在“ELEXCON深圳国际电子展暨嵌入式系统展”同期举行。论坛特别邀请第三代半导体相关专家、快充产业链相关专家及企业代表,探讨第三代半导体技术及充电产业机遇与挑战。
周阳
南京芯干线科技有限公司数字电源应用总监周阳做了题为“氮化镓功率器件及在数字电源中的应用”的主题报告。随着技术的进步和成本的下降,氮化镓将在中小功率应用里面逐步取代硅MOSFET(尤其是超结MOSFET),2025年氮化镓充电器总额将超过82亿元,渗透率将超过60%。结合65W超小型适配器发展史、氮化镓超小型65W适配器方案、芯干线 65W 准谐振(QR)PD适配器等内容分享了最新趋势。




 
 从大类来看,氮化镓的应用可以分为消费类,工业类及汽车类。就消费类而言,目前氮化镓超过一大半的应用都在快充适配器领域。这是因为快充适配器要求便携性,氮化镓正好解决了这个痛点。就工业类而言,氮化镓将在两千瓦以下的应用中,广泛取代传统的650V硅MOS管。这其中比较让人垂涎的是服务器电源。因为服务器电源有海量的市场而且又有效率、散热和体积方面的痛点。类似目前的快充领域,伴随大数据时代的到来,未来氮化镓将逐步替代硅MOS管,在服务器电源领域占据较大的市场份额。
 
随着技术的进步和成本的下降,氮化镓将在中小功率应用里面逐步取代硅MOSFET(尤其是超结MOSFET),2025年氮化镓充电器总额将超过82亿元,渗透率将超过60%。超结MOS管在几年前大约有9亿美元的市场。目前可能有十几亿美元。因为氮化镓是对标超结MOS管,超结MOS管的市场规模一定程度上可以预测氮化镓的市场规模。右边这张图所展现的是氮化镓功率器件和超结MOS管的价格比较。对那些通态电阻大于75毫欧的器件而言,氮化镓的器件成本非常接近超结MOS管。然而通态电阻较小的器件,例如50毫欧及以下,氮化镓价格相比超结硅MOS管就没有什么优势了。
 
近5年来有代表性的65W超小型适配器比较来看。拓扑结构有普通反激,准谐振反激,有源钳位反激,甚至三电平LLC。主开关管也涵盖了超结硅MOS管,氮化镓甚至碳化硅MOS管。功率密度从11到接近20瓦每立方英寸。价格分布也从20多美元一直到100美元以上。虽然氮化镓功率器件的价格仍然高于硅超结MOS管,但从PD适配器的价格/成本而言,并非比硅更贵。相反,做的特别小巧的硅基PD适配器成本最高,价格也最为昂贵。
 
三种65W氮化镓适配器拓扑结构比较来看。其中QR,也就是准谐振反激最为常见。QR的好处在于只需要一颗开关管,电路调试也相对容易。但体积没办法做到最小,一般主开关频率也低于300KHz。第二种拓扑结构是ACF,也就是有源钳位反激。这种拓扑需要两颗开关管,工作频率可达400KHz。体积可以做的更小,功率密度可以做的很高。参考小米的65瓦适配器,功率密度接近20瓦每立方英寸。第三种比较特别,LLC一般会用在相对功率高一些的场合,特别是前级有功率因数校正(PFC)的情况下。如果在需要让LLC工作在宽电压范围输入,可以考虑在前级使用倍压电路。这种拓扑和ACF一样,也需要两颗开关管,但同时它的控制器需要使用数字控制方式,在ACF的基础上又增加了一些控制器的成本。然而LLC的拓扑结构可以适用于很高的开关频率,可以把适配器的体积做的非常小。我们曾经评估过1.5MHz的工作频率,65W的适配器可以做到仅比苹果传统的5瓦充电器大一些的体积,功率密度也可以达到26。
 
周阳表示,芯干线的130瓦氮化镓PD快充适配器方案使用的是PFC+LLC的架构。其中PFC的控制器是TI的UCC28056,PFC主开关管是一颗芯干线xGaN系列XG6508B8氮化镓器件及芯干线xSiC系列XD6504D碳化硅肖特基二极管。LLC级所用的主开关管同样是两颗芯干线xGaN系列氮化镓功率器件。目前芯干线的130瓦氮化镓PD适配器已经通过了包括EMI传导,辐射在内的一系列安规测试,效率高达95%以上,可以支持客户量产。
 
 
嘉宾简介
周阳精通数字电源控制;精通PFC数字电源控制,精通逆变器控制;精通LLC控制。
 
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