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进展汇总|从2016应用功率电子会议(APEC)看氮化镓发展现状

3月20日-24日,在美国加利福尼亚州长滩召开了2016应用功率电子会议(APEC)。一直以来,氮化镓(GaN)半导体器件的研发者或在APEC上宣传其微小的技术进展,或在APEC上谴责该技术太脆、太贵、充满挑战和并不现实。但此次APEC显示,随着各种电压和电流等级、封装设计的GaN晶体管的出现,以及分销商所提供支持的不断增加,GaN已被首批用户接受。与硅功率器件相比,GaN器件可提供更高的效率和更低的散热需求。

美国Navitas公司

      GaN半导体初创公司,使用AlGaN衬底制造GaN驱动集成电路,并实现了与GaN场效应管(FET)的单片集成(3月18日公号文章进行过详细介绍)。AlGaN衬底可使驱动集成电路和GaN晶体管集成在同一芯片上,解决了阻抗匹配问题,使直流-直流转换器的时钟频率达到400MHz,充分挖掘GaN作为开关的潜能,适用于电压低于600V的领域,如桌面电脑、移动电话、平板电脑适配器。在Navitas与斯坦福研究人员共同开展的测试实验中,650V GaN晶体管和驱动器集成在一个5×6×0.85mm3四方扁平无引线(QFN)封装中,直流到交流转换器时钟转换频率达到27MHz,输出150瓦功率,效率达到96%。

美国EPC公司

其执行总裁Alex Lidow视GaN变革是70年代末期他触发的MOSFET晶体管变革的重现。EPC的晶体管产品线包括40、100和200V器件,避开了与同业工业用650V GaN器件的激烈竞争(包括SiC器件生产商)。EPC在APEC上展示的应用包括汽车激光雷达、汽车控制器上移动终端用无线功率转换器、基站射频包络跟踪、小行星采矿和医疗诊断,这些应用的电压要求都显著低于600或650V,但都需要非常高的开关频率以满足高精度和大动态范围要求。EPC展示了“一步功率转换器,可将电压直接从48V转换为1V,不需要通过中间阶段。直流到直流转换器使用TI的LMG5200 GaN FET驱动电路,在负载情况下输出电流40A,温度保持在26℃。

美国FinSIX公司

由麻省理工学院(MIT)分拆成立,在功率适配器小型化方面,可实现基于GaN器件的65瓦平板电脑(tablet)适配器,每立方英寸功率密度680瓦,效率96%。

美国Transphorm公司

GaN技术早期的先锋,宣布其650V晶体管产品线的导通电阻进一步减少。其合作伙伴美国安森美(ON)公司:并未透露其GaN产品的进展,主要介绍了服务器动力传动模块的改进,并推出工业用1200V IBGT。

美国德州仪器(TI)公司

研发出600V GaN工艺和制造能力,其架构与TI的控制器和功率管理器件相匹配;展示了一个使用新的GaN技术和数字功率控制器的1kW图腾极(totem-pole)交流到直流转换器,功率转换效率达到99.2%。TI的TPS53632G模拟控制器进行GaN使用优化,可以实现48V-1V的转换。其所有40A直流-直流数字负载点(POL)电源的所有元器件,包括小型化的无源器件,都可以封装进5×6×0.85mm3的封装中。去年,TI推出了其首个半桥GaN模块——100V功率级产品,在同一封装中集成了驱动电路和GaN FET。下一步发展目标是基于新的600V工艺继续走器件集成发展道路,以支撑系统设计人员达到新的功率密度和性能等级。

日本松下(Panasonic)公司

推出其X-GAN晶体管产品和制造,(主要得益于早期与英飞凌的合作),600V时功率达到400瓦,采用TO-220晶体管封装形式。松下的GaN发展与日本其他功率晶体管生产商形成对比,如罗姆(Rohm)主要用碳化硅(SiC)器件来提供工业用大电压开关。

德国英飞凌(Infineon)公司

一年多之前收购了美国国际整流器(IR)公司的GaN业务,目前处于在研状态。在APEC上,英飞凌强调与现有服务器和数据中心应用领域用户的关系,以及为市场提供经过测试的、高可靠性产品的重要性。英飞凌展示了硅基Vcore动力传动多芯片模块,包含英飞凌MOSFET和驱动集成电路,封装尺寸仅有5×6×0.9mm3,70A负载时输出电压最高5.5V,效率超过95%。

其他信息

数字功率管理是APEC演讲和展览的一个重要主题。减少转换步骤仍是提高数据中心工作效率的一个主要技术。从48V一步转换到5V(或3.3V及更低)需要高开关频率1.5MHz或更高,实现95或96%的效率。

意法半导体(STMicroelectronics)也推出了直流-直流转换器STRG06,也可以实现从48V到直流的一步转换。其中,使用了一个带有原边和副边脉冲控制的数字控制器,时钟频率能达到1.5MHz。

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