GaN电源器件

GaN电源器件

一张照片:GaN电源器件
  • 近年来,随着全球的IT化、自动化的迅速发展,电力消耗的增加,将全球变暖背景下摆脱碳社会的必要性是不断提高的。很多电器设备,特别是电力转换设备的"高效率"、"小型、轻量化"要求越来越高。
  • 电力转换装置一般使用Si的功率设备,达到了低损失(低电阻)的物理极限,在此基础很难有更大的改善。
  • 被关注的是拥有更好的物理极限GaN器件的利用,GaN相比现有Si理论上内阻可以小1000倍,可以实现告诉开关,满足设备小型化,节能的要求。

特点

GaN开发过程中、Panasonic率先解决了很多课题称得上是行业的专家。

X-GaN™主要有以下3个特点

  • ・安全器件〈实现常关〉
  • ・和Si-MOSFET相同的驱动方法〈不容易坏的栅极〉
  • ・设计容易〈无电流崩塌〉

GaN对比Si-MOSFET特性不同

  • 开关速度快(Qg小)
  • 无恢复损耗(Qrr是0)
  • 充放电速度快(Co(tr)小)

应用实际好处

优势-1 图腾柱型PFC电路
効率:99%(现有96%)

恢复特性、Si-MOSFET难以实现的图腾柱PFC、使用无恢复损耗的GaN可以实现。 用途:基站、服务器电源(~3kW)高効率

优势-2 LLC电路・DC-DC电源
小型・高频率:1MHz(现有100kHz)

LLC电路、三极管Coss放电漏极电压下降到0V时利用0V开关功能(ZVS)、降低开通损耗,降低干扰。也就是说,为了0V开关需要Coss放电时间,会变成高频开关的阻碍。
Coss充放电速度更快的GaN,利用ZVS实现高频率化。
用途:基站、服务器电源(~3kW)小型化
■LLC 电路漏极电压波形使用Coss小的GaN

优势-3 充电器 ACF电路
小型・高频率:尺寸1/4、1MHz(现有100kHz)

ACF电路实现0V开关,在降低损耗的同时实现高频开关。PC和智能手机充电器可大幅度缩小尺寸关注度很高的电路。
和LLC电路相同0V开关,GaN三极管Coss放电快实现高频率,小型化。GaN高速关断特性在高频工作时降低开关损耗增加,实现高频作出贡献。
用途:PC、手机充电器

产品路标

Panasonic X-GaN采用HD-GIT结构,高可靠性・高耐用性。从小功率到大功率设备,提供最合适封装的产品。
小功率提供DFN6x4,中大功率提供DFN8x8,大功率提供PSOP封装。
另外,所有产品采用Kelvin Source,可以把源极寄生电感降到最小实现高频稳定工作。

应用事例

PFC电路
图腾柱

効率99%
比现有损耗降低3%
降低二极管损耗图腾柱式

AC充电器
ACF

功率密度=22W/inch3
尺寸:比现有小60%
低损耗・高频率小型化

电机驱动变频
变频回路

尺寸:现有1/4
损耗:比现有降低60%
内部布线简单

相关产品

单通道“X-GaN”功率晶体管高速栅极驱动器AN34092B

栅极驱动AN34092B内置电流源和负电压功能,简洁电路驱动"X-GaN",外部器件少设计容易。

品质信息

Panasonic X-GaN除了遵守JEDEC标准,针对可能影响可靠性课题制定了Beyond-JEDEC的内部标准。
进一步,针对实际使用上可能出现问题做了优化。另外,Panasonic在JC-70委員会(Wide Bandgap Power Electronic Conversion Semiconductors)起着重要作用,GaN可靠性方面会持续投入。
JEDEC官方网站
Test items (exception) Test conditions Test standard Evaluation qty.
1 Temperature Humidity Bias Test THB Ta=85C, RH=85%, Vds=480V, t=1000h JEDEC
JESD22-A101
77 pcs×3lot
2 High Temperature Drain Bias Test HTRB Ta=150C, Vds=480V, t=1000h JEDEC
JESD22-A108
77 pcs×3lot
3 High Temperature Gate Bias Test (+) HTRB_G+ Tj=150C, Vgs=4.0V, t=1000h JEDEC
JESD22-A108
77 pcs×3lot
4 High Temperature Gate Bias Test (-) HTRB_G- Tj=150C, Vgs=-12V, t=1000h JEDEC
JESD22-A108
77 pcs×3lot
5 High Temperature Storage Test HTS Ta=150C, t=1000h JEDEC
JESD22-A103
77 pcs×3lot
6 Temperature Cycling Test -65C~150C, 100cyc, 30min each, Gaseous phase JEDEC
JESD22-A104
77 pcs×3lot
7 Solder Heat Resistance Test T=255C, t=10s JEDEC
JESD22-A113
77 pcs×3lot
8 ESD Test
(HBM,CDM)
HBM:C=100pF, R=1.5kohm, ±1000V CDM:±500V JEDEC
JS-001,
JESD22-C101
3 pcs×3lot

知识产权

X-GaN专有技术有专利守护。下记代表性专利3件特点说明

GaN实现常关的基本专利
(美国专利 8,779,438)

为了实现常关,需要提高栅极电极下方电子的消除能力。
因此栅极电极下形成的氮化合物半导体层(图:第三层氮化层tb,第2氮化层ta)厚度很重要,关于这些层的大小关系(厚度:tb)有取得专利。
专利公报
■专利分享投诉20-实例 第三层氮化合物比第二层氮化合物更厚

实现高可靠性无电流崩塌的基本专利
(美国专利 8,148,752)

电流崩塌原因,漏极和源极之间电子被捕获集聚。
为了解决这个问题,从漏极边上的空穴电极注入空穴,中和电子防止电子捕获解决电流崩塌。
专利公报
■本专利1-实例

利用GaN特性,省略续流二极管的专利
(美国专利 8,299,737)

GaN器件内部自动续流,Si器件使用的续流二极管可以省掉。
另外,反向恢复电流减小损耗降低。
专利公报 Panasonic GaN专利一览
■本专利1-实例
针对GaN器件的驱动电流