珠海镓未来科技有限公司(GaNext)CTO兼IEEE Fellow吴毅锋发表了“氮化镓功率器件应用的大跨度拓展——从PD快充到户外储能”的主题演讲。

3月28日,在IIC Shanghai 2024国际集成电路展览会暨研讨会同期举办的“2024国际绿色能源生态发展大会”上,珠海镓未来科技有限公司(GaNext)CTO兼IEEE Fellow吴毅锋发表了“氮化镓功率器件应用的大跨度拓展——从PD快充到户外储能”的主题演讲。内容分为六部分:氮化镓功率器件市场现状及趋势;器件特性及满足要求的产品组合;可靠性要求;氮化镓在电路拓扑中的优势;目前市场上成功量产案例;总结。

珠海镓未来科技有限公司(GaNext)CTO兼IEEE Fellow吴毅锋

据介绍,在整个氮化镓功率器件的发展过程中,可以看到,其早期的爆发是从小功率手机充电开始的。后期则会进入中大功率工业级应用。最后则是希望进入汽车级应用。

虽然珠海镓未来科技有限公司成立才3年多,但由于专注于性能全面、高品质的氮化镓器件以及先进、高效、高性价比的解决方案,所以进展相当快。GaNext当前的技术是一种独特的组合技术,可以实现具有最佳综合性能的功率器件产品。目前的产品有六大特点,而目前市场上的功率器件很难同时具备这六大特点。

目前封装方面,GaNext有SMD的底部和顶部散热,也有插件。器件覆盖范围可以从几十瓦到十千瓦。产品形式则是分立器件,也可开拓合封产品,公司有相应的产品布局。

GaNext公司具有四大优势。首先,器件技术领先,新技术节点明确。其次,有强大的封装团队,可以驾驭比较复杂的封装。第三,有非常清晰的技术路线,而且价格比硅MOS低。第四,内部有强大的应用团队,把氮化镓应用直接推到业界。

“讲功率器件就离不开硅基器件。硅器件包括IGBT和MOS管。可以说,这两种都是目前主流的功率器件。它们的基本性能非常完美。除了IGBT反向导通需要加二极管外,技术指标都非常完善。”吴毅锋谈道,“频率和效率都有上限。当人们追求更好的器件时,就有了碳化硅和氮化镓。主流的碳化硅MOS管和氮化镓器件其实在技术指标上都存在一定的问题,比如碳化硅MOS管,驱动存在问题,因为它的栅极并不完美,通常需要很高的电压才能打开器件,并需要负电压才能更好地关断器件。主流单片氮化镓技术的输入端也很弱。”

GaNext公司的目标是使器件的技术指标做到与硅MOS一样完美,同时效率和频率完全达到氮化镓的最高水平。

如何实现这样的产品设计呢?GaNext采用的不是单片E-GaN技术,也不是传统的Cascode技术,而是先进的集成式Cascode技术。“我们将一些垫片和线路全部集成到氮化镓中,所以封装的时候,一个非常简洁的叠片封装就可以完成这个产品。该产品的特点是可以达到非常优异的综合指标。”

从下图可以看到,GaNext氮化镓器件的各项指标都非常优秀。目前唯一达不到的就是电压停留在600-900V之间,无法达到1000V。碳化硅这一点则比较突出,可以达到1000V以上。

这是目前一系列的产品,共有10多个封装,从小功率、中功率到大功率全面量产。功率范围从几十瓦到实验室单管10kW应用。

下面来谈谈可靠性。所有功率器件的可靠性是根本。如果没有可靠性,它们就无法大量投放市场。过去十几二十年,大家在GaN器件的可靠性方面做了大量工作,各个角度基本测试都没有问题。有一个比较难的测试是,目前氮化镓的许多应用都是 ZVS 或接近 ZVS 的应用。如果将此器件推向工业级应用,则必须经过硬开关,这样的话,电流和电压都会达到非常高的应力。当电流和电压都处于高应力下时,可靠性如何?这是目前非常重要的一个测试点。

例如,松下在2018年做氮化镓可靠性报告时,他们就共享了数据。可以看到,在高电压、大电流条件下,器件的寿命存在问题。需要对电流进行分析。在整个交流过程中,不同的地方有不同的电流,不同的地方有不同的负载。从各个角度分析,最终得出的寿命(比如数据中心、服务器的寿命)是24年。事实上,这种可靠性是不能满足要求的。如果平均寿命为24年,则意味着每年有2%的器件会失效。如此高的故障率无法大规模推广。

GaNext同样使用了大电流和高电压进行测试。“松下之前的报告是,在640V/18A下,寿命的50%失效点为75小时。我们的温度更加高,做了1000个小时,发现没有一个会失效。因此,当高电压和大电流同时发生时,可靠性非常重要。可以看到,我们的漏电流非常好,正负之间没有超过10%的变化。静态电流和动态电流都很好,只上升一毫安左右,所以可靠性很好,很稳定。只有具有优异的性能,才能使我们的器件在大功率应用中成功推广。”吴毅锋表示。

目前,这些器件使用哪些拓扑?小功率应用主要采用QR反激式拓扑。这类电路通常偏向软开关,硬开关的含量不高。再往下,如果超过90W,通常会采用PFC。最简单的是 PFC 加反激式。更先进的是PFC加非对称半桥。非对称半桥非常高效,并且可以极大地改变电压。这种电路的输出范围可做到 5V 至 30V。如果需要输出电压相对稳定,通常采用PFC+LLC。那么这些基本就可以覆盖小功率应用了。

大功率方面,为了充分发挥氮化镓的优势,通常会采用全无桥的图腾柱PFC。传统的PFC有全桥整流,而大功率应用则没有整流。这是利用氮化镓反向恢复QR极小的特性来实现完全无桥PFC的。后端通常是LLC大功率拓扑,这种电源通常用于高效服务器电源。

GaNext最近成功开通了一个新赛道——户外储能。户外储能的拓扑与电源非常相似。唯一的区别是它的LLC部分是全桥。由于氮化镓的优异性能,该拓扑可以实现AC-DC和DC-AC的双向转换。这种电路稍作修改,就可以做成OBC。OBC与此类电路唯一的区别是后面的同步整流管变成了高压管(如果使用电池,则是低压管)。

氮化镓器件还能实现更高效的电机驱动。电机驱动后面就是三相电。

所以,这基本上综合了大功率应用。

氮化镓器件在电路中能够带来哪些优势?其最明显的优点是可以实现高压高频同步整流。同步整流在硅MOS管的低压应用中很常见,但是在高压应用中同步整流是有问题的,因为MOS管在支撑高电压时,QR反向导通电荷非常高,因此很难实现高频高压同步整流,但氮化镓的特性使其完全能够驾驭这种操作。所以,可以看到,如果采用硅MOS的话,用英飞凌的产品做参考(英飞凌的产品在高压同步整流方面为最佳),效率明显比氮化镓低很多。

实际上,相比硅器件,氮化镓的效率提升2%相当于损耗的大幅降低。这不仅节省了能源,还降低了系统散热要求,所以氮化镓在大功率应用中能够实现高压高频同步整流。具体来说就是用于图腾柱PFC。虽然老的PFC可以做CCM高频,但新的PFC没有任何二极管压降。这是氮化镓实现硬开关的优势。

在软开关方面,氮化镓的优点是输出端的结电容很小。如果看它的波形,就会发现它很容易实现ZVS。使用硅的话就很难,因为它很难降到0V,如果等待时间不够,达不到0V和ZVS,那么损耗就很大。因此,在软开关方面,氮化镓可以快速实现ZVS,软开关的效率就能明显提升。尤其是在负载比较低的时候,效率提升更加明显。

下面来看一些新技术,不仅是在器件方面,而且在使用方面,这些新技术都可以实现非常方便的电路。以下是用于实现单片 e-GaN 技术的常见电路,具有调速、复压、钳位部分,才能保证传统的E-GaN正常工作。“我们的新技术不需要任何东西。只需要一个电阻去连接 PWM,其后有一个简单的调试电路,这就是我们产品的形态,很简单的电路就可以实现调速。”吴毅锋说。

具体调速效果如下。“这就是传统E-GaN调速的性能。这是二次整流的波形。二次整流的波形通常有一个尖峰。尖峰越高,情况越糟糕。第一,是有EMI。其次,管子的电压等级要求比较高,价格也比较贵。所以我们可以直接用调速电阻来调节。我们使用300Ω的调速电阻。我们看到它还是和这个有点相似,但是我们可以增加一点,最后把尖峰调掉。所以这是一个非常简单的电路,而且效果也非常明显。这是一款针对小功率应用的新产品。”吴毅锋说。

GaNext也在做一些集成式的具有智能能力的产品。例如,由于使用Cascode技术,“我们在低压MOS驱动中取出一小部分作为电流镜,这样就可以在不使用任何电阻或霍尔传感器的情况下进行无损电流采样,这样就能使电路更加高效”。

以下是具体的应用案例。首先,对于分立元件,很难控制二次侧的尖峰。使用新电路,可以把尖峰控制得非常小,并且可以与E-GaN的类似产品完全对标。同时,由于采用了无损电流采样,效率得到了明显提升。整体效率的整体提升甚至优于竞争对手的同类产品。

下面,吴毅锋介绍了GaNext目前将氮化镓推向市场的成功案例。

小功率案例之一是进入了笔记本市场,并从手机快充走向高端笔记本。最高端的笔记本是游戏本。游戏本需要的功率很大。具体来说,至少需要100W以上的电源,而且必须是连续、全时段工作的产品。这个产品就采用了GaNext的氮化镓技术。

采用全氮化镓技术(其PFC和DC-DC均采用氮化镓)后,与前一年使用硅MOS和E-GaN技术的方案相比,效率得到了明显提升,这直接体现在电源的温升好了很多。

再比如,针对大功率应用,下面是钛金能效无风扇3500W电源。该电源对标当前AI服务器的需求。他指出,现在很多AI服务器都没有风扇,有两个原因:一是风扇噪声很大,对工作环境影响很大,无法让人在服务器旁边工作;其次,如果使用风扇,则会将热量传递给空气,然后又要通过压缩机和空调带走热量。整个过程非常复杂,能耗很大,因此电源转换效率显著降低。因此,无风扇电源是AI追求的基本要求。

可以使用氮化镓来提高效率,实现无风扇设计。该电源已在超算中心使用半年,性能非常好。

去年GaNext进入了户外储能的新赛道。多家户外储能企业已采用该公司产品进入量产。“我们可以说是行业内第一家成功进入这个赛道的公司。此前曾有报道称,有氮化镓的公司想要进入这一赛道,但最终量产并未成功。因此,我们在行业内率先将其推向市场并成功量产。”吴毅锋说。

GaNext的技术成功克服了氮化镓材料在过流能力方面的重要问题。使用传统的单片E-GaN技术,其过流能力非常有限,而GaNext技术的过流能力则很强。以3.6kW的户外储能系统为例,虽然它的额定功率为3.6kW,但瞬间功率却能达到8000W。“只有具备如此出色的瞬间功率能力,才能够满足驱动电动工具的需求。这些电动工具在瞬间启动或承受瞬间负载时需要大量电流,而我们完全驾驭了这个在氮化镓技术中相当棘手的问题。因此,我们使其在户外储能领域实现了重大突破。”吴毅锋说。

氮化镓材料的速度非常快,但会面临电磁干扰(EMI)的问题,“然而我们完全能够轻松克服这一挑战”,吴毅锋表示。“在Class B认证中对电磁干扰的限制要求特别高,而我们完全符合这些要求”。

经过多年的不懈努力,GaNext不仅将氮化镓技术应用于PD快充领域,而且拓展到高端笔记本和电动工具的应用。同时,还将技术成功应用于服务器领域,尤其是那些无风扇的高端服务器,并已经成功将其推向户外储能市场。接下来,还将迅速进入光伏逆变领域。这是GaNext在氮化镓技术发展方面取得的重要进展。

总结

总而言之,氮化镓技术已经从PD快充领域进入了新的赛道。未来,氮化镓技术的增长空间巨大,但必须能够应对大功率应用的需求。许多大功率应用都采用硬开关,因此硬开关的可靠性必须能够得到保证。只有解决了这些问题,才能拥有更广泛的应用领域。目前,GaNext已经成功量产了多个案例,其中一个是面向笔记本电源的产品,另外还开发出了新的电流采样的IC,可以进一步提高效率。此外,该公司不仅在算力电源领域取得了成功,还成功进入了户外储能领域,而这一切都依靠其可以承受多倍过载能力的技术而实现的。

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