
和SiC一樣,GaN是一種在功率器件中存在巨大潛力的化合物半導體材料,它具有禁帶寬度更寬、電子飽和速度更快、擊穿場強更大等特點。相比于SiC在高耐壓和大工作電流方面具有的優勢,GaN HEMT更有望在100-600V中等耐壓范圍內,實現出色的高頻工作性能。目前在小型AC適配器(消費電子)應用廣泛,隨著技術的不斷進步和應用領域的不斷拓展,GaN的市場規模也在不斷擴大,開始逐漸拓展到工業和數據中心應用,如數據中心服務器電源、基站電源、車載OBC、48V DC-DC等領域。據Yole Group預測,從2022年到2028年,GaN功率器件市場將以49%的復合年增長率快速增長,市值將從2022年的1.849億美元增長至20.4億美元。
在氮化鎵應用整體向好的大前提下,羅姆發現,客戶在使用氮化鎵產品時最困惑的地方是氮化鎵的驅動電壓是5V,但是市場上所有產品都是6V,中間的余量只有1V。這樣就需要增加很多的電路設計(不僅升高了電路復雜度也推高了價格),也有可能導致出現雜波,這都會為產品的可靠性帶來挑戰。于是,羅姆瞄準市場上柵極-源極間額定電壓低,封裝處理比較難的痛點,積極開發GaN品牌——EcoGaN?系列產品。EcoGaN?是通過更大程度地發揮GaN的性能,助力應用產品進一步節能和小型化的羅姆的GaN器件,將有助于應用產品進一步降低功耗、實現外圍元器件的小型化、減少設計工時和元器件數量等。其中,150V GaN HEMT,40mΩ和8.5mΩ的產品,在一年前已經開始量產。650V的GaN HEMT,有70mΩ和150mΩ,在2023年4月份也開始量產。
在介紹羅姆150V GaN HEMT的特點時,羅姆半導體(北京)有限公司技術中心總經理水原德健表示,市場上的普通GaN HEMT產品的額定電壓都是6V,而羅姆是8V;普通GaN HEMT產品的電壓裕度是1V,而羅姆是3V。通過增加針對過沖電壓的電壓裕度,實現高速開關,可以更大程度地優化電源電路的效率。因為EcoGaN?系列產品不用外接電路,有很大的余量,無需設計濾波過濾電路,也不用擔心之后的可靠性問題。這款產品也是羅姆從客戶的角度出發開發的新產品。”
具體到各個系列產品的技術參數。羅姆的150V GaN HEMT的耐壓為150V,柵極-源極間額定電壓為8V,采用自有的專用模塑封裝,可靠性高,安裝性良好,散熱性能出色,寄生電感低,高速開關1MHz以上,常閉動作,反向恢復時間為0。而羅姆的650V GaN HEMT的耐壓達到650V,擁有業界超高水平的GaN器件性能指數,內置ESD保護元件,采用表面貼裝型封裝,高速開關,常閉動作,反向恢復時間為0。除了可靠性高,散熱性出色,該產品采用支持大電流且具有出色散熱性的通用型DFN封裝,使安裝工序的操作更容易。
此外,羅姆憑借自身優勢挑戰高頻率開關技術。羅姆既有功率半導體技術,又有模擬電源技術,其中代表性的就是超高速脈沖控制技術“Nano Pulse Control?”,它可以更大程度激發GaN器件性能。與Si MOSFET相比,GaN HEMT的柵極處理很難,必須與驅動柵極用的驅動器結合使用。于是,羅姆推出集功率半導體——GaN HEMT和模擬半導體——柵極驅動器于一體的Power Stage IC“BM3G0xxMUV-LB”,以輕松發揮GaN器件性能,替換一次側電源現有的Si功率半導體電路。
650V EcoGaN?(GaN HEMT) Power Stage IC有3個特點:通過將650V EcoGaN?、專用柵極驅動器、新增功能和外圍元器件一體化封裝,用作Power Stage電路,可輕松安裝GaN器件;驅動電壓范圍達到2.5V-30V,啟動時間為Typ.15μs,傳輸延遲為Typ.11ns-15ns,可輕松替換現有功率半導體電路;開關速度快,相比于普通產品,損耗大幅降低,僅需1個外置器件,有助于應用產品的小型化。
在談及羅姆產品的量產情況時,水原德健表示,羅姆2022年開始量產150V產品, 2023年4月份量產650V產品。并且,羅姆融合LSI技術和Power技術進行研發, 于2023年7月份開始量產Power Stage IC。關于下一代Power Stage IC產品,羅姆計劃2024年量產搭載準諧振AC-DC電路、功率因數改善電路,以及搭載半橋電路等產品。
隨著GaN器件的性能的進一步提高和陣容擴充,羅姆將持續推進用于驅動GaN HEMT的、內置控制器的器件和模塊的開發,進一步加強電源解決方案。其中包括具有低導通電阻和高速開關性能的產品——150V耐壓產品(第二/三代),內置驅動器和控制器的GaN模塊,650V耐壓的新封裝(TOLL封裝)產品等。
羅姆的核心技術其一是功率電子技術。羅姆專注于發揮各種技術優勢的功率元器件以更高效地處理電力。通過SiC開拓半導體的新時代,推出創新型功率元器件,通過Si、GaN等滿足不同應用產品需求的材料和元器件結構,支持廣泛的應用。羅姆的核心技術其二是模擬技術。使智能設備運行、并實現節能和小型化的關鍵是模擬IC,羅姆不斷發展的創新功率電子技術使精密控制成為可能,提供與時俱進的出色解決方案。羅姆使用獨創的無磁性變壓器隔離技術,集成電源、溫度控制、保護電路等。憑借包括封裝在內的獨創設計,實現高抗噪音、高可靠性。目前羅姆面向牽引逆變器的隔離柵極驅動器,全球份額位居第一。
羅姆從成立之初就一直專注于電源領域的發展,目前的產品從功率元器件到IC和模塊,都可以提供合適的產品助力節能和小型化。功率器件包括SiC MOSFET和SiC SBD等SiC器件、IGBT、SJ-MOSFET、SBD、FRD等Si器件,從2022年開始量產的GaN HEMT,也是為了擴展電源領域產品組合的器件。今后,羅姆會憑借自己的核心技術不斷解決各種電源系統難題,持之以恒地為人們豐富多彩的生活和社會的發展與進步提供支持。
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