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将GaN在IC内部集成,可靠性提高成为新技术普及的新动力

日期:2019/10/9 11:11:51
摘要:第一代半导体以硅(Si)、锗(Ge)为代表,主要应用在数据运算领域,随着科技需求日益增加,硅传输速度慢、功能单一的不足突显,同时摩尔定律演进趋缓,以新材料、新结构以及新工艺为特征的“超越摩尔定律”成为新的发展方向。

关键词:IC

第二代半导体以砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)为代表,是制作高性能微波、毫米波器件及发光器件的优良材料,主要应用于通信领域。

随着智能手机、新能源汽车、人工智能等新兴应用的发展,全球能源和环境危机突出,能源利用趋向低功耗和精细管理,第一、二代半导体材料已经无法满足需求,急需新的材料进行替代。第三代半导体材料以GaN和SiC为代表,凭借宽禁带、高热导率、高击穿电场、高抗辐射能力等特点,在许多应用领域发展迅速,市场潜力巨大。据Yole预测,2021年全球SiC市场规模将上涨到5.5亿美元,GaN市场将达到3亿美元。

未来,这些半导体新材料发展前景如何?会在哪些领域发挥越来越重要的作用?GaN和SiC应该如何突破发展瓶颈?

针对以上问题,与非网策划了新一期专题《超摩尔时代的半导体工艺、材料创新》,本次专访邀请了Power Integrations公司营销副总裁Doug Bailey参与讨论。

Power Integrations公司营销副总裁Doug Bailey

鉴于第三代半导体材料的诸多技术优势,Power Integrations(以下简称:PI)早在十几年前就开始研发GaN技术,如今已向消费产品市场出货100万颗芯片,这些市场包括智能手机充电器/适配器、智能电源插座和家电等。我们已从客户方面获得非常积极的反响反映。

多款产品助推GaN的应用普及

最近推出了一系列恒压/恒流离线反激式开关电源 IC – InnoSwitch 3,该系列IC采用了高压GaN开关技术,在各种负载条件下具有一致的高性能,效率高达95%,输出功率可达100 W,并且在密闭的适配器应用中无需散热片即可实现高达100 W的输出功率。

准谐振模式的InnoSwitch3-CP、InnoSwitch3-EP和InnoSwitch3-Pro IC在一个表面贴装封装内集成了初级电路、次级电路和反馈电路。在新发布的系列器件中,PowiGaN开关替换了IC初级的常规高压硅晶体管,这可以降低电流流动期间的传导导通损耗,并极大降低了开关损耗。这最终有助于大幅降低电源的能耗,从而提高效率,使体积更小的InSOP-24D封装提供更大的输出功率。

新IC无需不依赖于外围元件的参数即可提供精确的恒压/恒流/恒功率输出特性,非常易于并轻松与外部的接快充协议接口IC协同工作,因此适用于很多高效率反激式设计,例如,移动设备、机顶盒、显示器、家电、网络设备和游戏机的USB-PD和大电流充电器/适配器。InnoSwitch3-CP和InnoSwitch3-EP的电源特性可以通过改变硬件参数的方式进行配置,而InnoSwitch-Pro集成先进的I2C数字接口,可通过软件实现对恒压和恒流的设置点、异常处理以及安全保护模式选项的控制。

除反激式开关电源IC外,PI还发布了基于GaN的LED驱动器IC。LYTSwitch?-6安全隔离型LED驱动器IC可为智能照明应用提供110 W无闪烁输出,效率可高达94%,并且待机功率低于30 mW。同时提供支持两级或单级PFC的配置选项。全新LYTSwitch-6 IC的高效率和高功率密度特性决定了设计人员可轻松实现小型电源设计。

PI可以同时提供灵活性极高的IC级和板级SiC MOSFET驱动器。在大功率系统中,寄生电感可在开关期间导致电压超过所允许的限值公差范围,并由此引发故障,因此需要驱动器快速作出响应以防止系统受损。PI的SiC门极驱动器产品集成了保护电路,可在系统短路时安全地关断开关。PI采用特有的高级有源钳位技术和精密的闭环开关保护机制,不仅能提高正常工作期间的开关效率,还可降低故障期间SiC器件的应力。

将GaN元件进行集成化,加速其市场应用速度

目前,第三代半导体材料SiC和GaN在禁带宽度、击穿电场、抗辐射能力等方面表现优异,但是发展速度不是很快,业界一直在探讨如何突破SiC和GaN的发展瓶颈。Doug Bailey认为,设计人员在使用元件之前,没必要去评估它们的制程技术。我们的开关电源IC中集成了GaN元件,GaN技术的控制实现方式是复杂的,用户无法看到。他们唯一能觉察到的是性能的改进。对于SiC MOSFET驱动器而言,情况也是如此:这些元件不需要用户掌握特殊的设计知识。我们已经宣布(向充电器厂商Anker)交付第一百万颗GaN器件,根据Anker的积极反馈以及其他多家客户的大数量订单,我们有理由相信GaN器件很快就会在市场上普及开来。

由于SiC和GaN等新型材料的诸多优势,业界一直探讨,它们是否会完全取代Si材料?Doug Bailey表示,在实现高效率和小尺寸方面,GaN是一项明显优于硅技术的关键技术。我们预计众多电源应用会从硅晶体管快速转换为氮化镓。自从我们在18个月之前推出硅技术新器件以来,InnoSwitch3已成为离线开关电源IC市场当之无愧的技术先行者,随着我们的反激式产品在效率和功率输出能力方面的提高,新的氮化镓IC进一步巩固了我们的优势地位。