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低壓GaN器件,為什么還未被廣泛應用

lPCU_elecfans ? 來源:未知 ? 2022-12-13 07:10 ? 次閱讀
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電子發燒友網報道(文/梁浩斌)從消費電子電源類產品開始,GaN拉開了巨大市場發展空間的序幕,并逐漸往數據中心、汽車OBC甚至主驅逆變器等領域滲透。主流應用的650V GaN HEMT在充電頭、以及數據中心電源上已經開始被廣泛應用。
而隨著數據中心單機架的功率不斷提高,數據中心的次級端,機架的配電系統設計電壓從12V往48V升級。與此同時,數據中心配電系統的DC-DC中,低壓的GaN器件,比如40V和100V規格的GaN在這些系統中越來越受到重視。
今年,OPPO在智能手機端也首次將低壓GaN器件應用到手機內部,用于快速充電的電路中。按照OPPO的說法,一顆GaN開關管可以代替以往方案中使用的兩顆硅基MOSFET,能夠減少體積,并由于GaN器件阻抗相比硅器件更低,在熱管理上也有更好的表現,降低充電路徑上的熱量消耗,降低充電溫升,提升充電性能。
所以,低壓GaN器件有沒有機會取代更多硅基器件,比如在消費電子產品內的負載點POL轉換器中替代更多低壓的硅基器件?
如果從GaN器件的角度來看,目前市面上有多家廠商都推出了100V、40V甚至更低電壓的GaN器件。比如英諾賽科、EPC、GaNSystems等,其中EPC甚至有15V的GaN產品供應。
EPC在2016年推出了一款型號為EPC2040的GaN功率晶體管,擊穿電壓為15V,在5V驅動電壓下導通電阻為30mΩ,工作溫度支持-40℃~150℃,可以應用于自動駕駛激光雷達等場景。
今年5月國內GaN器件龍頭英諾賽科在IEEE功率半導體器件國際研討會(ISPSD)上展示了其15V GaN HEMT的研究進展,據介紹,他們這款15V GaN HEMT在5 V V in / 1.5~4 V V out的轉換比下,采用半橋配置的GaN HEMTs制作的降壓轉換器在10 MHz下的效率超過90%。當開關頻率增加到30 MHz時,轉換器仍然保持80%以上的效率。
然而現實可能沒有想象中美好,英諾賽科在會議上還提到,盡管業界在低壓GaN HEMT方面做出了巨大努力,電源開關通常已經低于40V,努力向消費電子產品的應用推進。但與硅器件相比,低壓GaN HEMT在消費電子產品上的廣泛應用還面臨很大挑戰。
在技術層面上,隨著GaN器件的尺寸縮小,接觸電阻和寄生電容的比例會大幅上升,閾值電壓下降,導致導通錯誤的風險提高,關斷狀態泄露電流增加,以致于靜態損耗和動態損耗不穩定。英諾賽科認為,這些問題都影響了GaN HEMT在小體積的消費電子產品上廣泛應用的可能。
另一方面,有業內人士認為,在100V以下的低壓領域,GaN相比硅有開關損耗和功率密度的優勢,但目前低壓的硅基器件已經做得足夠好,成本上的巨大優勢是GaN難以逼近的。除非是一些特殊的應用中,對開關頻率要求較高,比如前面提到OPPO在手機快充電路中用一顆GaN開關管替代以往兩顆硅基MOSFET的操作。
無論如何,業界對低壓GaN器件的研究還在繼續,不少研究團隊都在這個方向努力,比如德國Fraunhofer IAF研究所的科學家在PCIM2021上發表過關于緊湊型低壓GaN HEMT設計的論文。或許隨著成本的持續降低,以及快充等需求的持續升級,低壓GaN器件會有取代硅的一天。

聲明:本文由電子發燒友原創,轉載請注明以上來源。如需入群交流,請添加微信elecfans999,投稿爆料采訪需求,請發郵箱huangjingjing@elecfans.com。


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原文標題:低壓GaN器件,為什么還未被廣泛應用

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