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知識專欄

利用雙向氮化鎵開關實現單級電源轉換

作者: 浮思特科技2024-11-28 14:06:59

  在最近的PowerUP和Fortronic會議及展覽上,英飛凌科技公司展示了基于氮化鎵的雙向開關(BDS),闡述了它們如何改善電源轉換系統的設計,最終實現單級電源轉換拓撲。

  英飛凌的單片雙向氮化鎵高電子遷移率晶體管(HEMT),基于其CoolGaN技術,代表了電力電子領域的一項顯著創新,特別是在實現單級電源轉換方面。這些BDS促進了具有更少組件、降低成本和簡化設計的轉換器的開發,相較于傳統的兩級方法,提供了顯著的優勢。

  傳統兩級轉換與單級轉換

  在傳統的兩級電源轉換系統中,功率因數校正(PFC)和直流/直流轉換是分開處理的,這需要多個組件,并導致更高的成本、更大的外形尺寸和更大的復雜性。

  由氮化鎵BDS(見圖1)實現的單級轉換消除了中間的直流連接,增加了功率密度和效率,并降低了外形尺寸和成本。此外,它支持雙向功率流,這是連接電網的應用(如儲能系統和電動汽車充電器)的關鍵因素。

氮化鎵

圖1

  單片氮化鎵BDS的獨特之處

  英飛凌的單片BDS利用了橫向氮化鎵器件結構的固有優勢,使真正的四象限開關成為可能。這些器件能夠在兩個極性下導電和阻斷電壓,非常適合緊湊且高效的電源系統。

  基于CoolGaN的BDS HEMT通過集成兩個獨立隔離的柵極的單片結構(見圖2a)實現雙向性。這種配置允許它通過獨立控制每個柵極的開/關狀態在兩個方向上導電。

  兩個柵極共享一個漂移區,這意味著無論電流方向如何,它都可以阻擋電壓。這種結構簡化了設計,因為一個BDS可以替代在需要雙向電流流動的電路中使用的多個晶體管,例如交流/直流轉換器和電源逆變器(見圖2b)。

氮化鎵

圖2

  BDS技術的關鍵特征總結如下:

  兩個柵極的獨立隔離控制,支持多種操作模式

  共享漂移區,能夠在兩個方向上阻擋電壓,降低材料和制造復雜性

  集成的基底電壓控制電路,動態將基底連接到最低電位的源,簡化設計并消除外部基底電路

  這一集成確保在軟開關和硬開關場景下接近理想的性能,解決了氮化鎵技術中的傳統挑戰。最終結果是一個高度可靠且用戶友好的解決方案,無需系統設計師額外努力。

  氮化鎵的橫向結構

  氮化鎵器件的橫向結構對于實現真正的四象限開關操作至關重要,這指的是開關能夠在兩個極性下導電和阻斷電壓的能力。這一能力對于高級電源轉換系統中的雙向功率流至關重要。

  在垂直器件中,例如硅IGBT和硅碳化硅MOSFET,電流垂直流動通過基底。阻斷電壓能力是單向的,因為電流路徑和電場分布優化為一個極性。雙向操作需要額外的組件(例如反向二極管),增加了復雜性和損耗。

  在橫向功率器件中,例如氮化鎵HEMT,電流平行于基底表面流動,器件可以設計為允許雙向電流流動。氮化鎵HEMT的一個關鍵優勢是高遷移率二維電子氣(2DEG)通道的形成,該通道位于氮化鎵和鋁鎵氮層的界面。該通道導電性極好,支持非常低阻抗的橫向電流流動。

  解決基底挑戰

  英飛凌的CoolGaN、CoolMOS和CoolSIC產品系列中的氮化鎵單向開關將基底用作開關器件的源端(見圖3a)。然而,在單片BDS中,出現了一個問題,因為漂浮基底與兩個源(S1和S2)不重合(見圖3b)。

  必須解決這個問題,因為漂浮基底可能導致不受控制的基底電位,并由于背柵效應降低二維電子氣中的電子濃度。英飛凌的CoolGaN BDS通過直接在同一芯片上集成基底電壓控制電路來解決這個問題(見圖3c)。該電路動態地將基底連接到最低電位的源。

氮化鎵

圖3

  使用氮化鎵BDS進行單級轉換的一些優勢包括:

  降低組件數量:通過將PFC和直流/直流轉換功能合并為一個階段,所需的組件減少,從而降低制造和組裝成本。

  簡化設計:通過集成的基底控制和緊湊設計,英飛凌的氮化鎵BDS最大程度地減少了設計復雜性,加快開發周期。

  更高的效率:CoolGaN BDS實現了近乎理想的開關行為,提高了高功率應用中的整體效率。

  緊湊和輕量:消除直流連接和減少組件數量使得設計更小、更輕,適合空間有限的應用。

  雙向功率流:支持雙向功率傳輸對現代電網連接系統和可再生能源應用至關重要。

  目標應用和性能指標

  CoolGaN BDS產品系列包括三種器件,均具有650 V電壓等級、TO引線頂冷卻封裝和不同的導通電阻值(典型值為110 mΩ、55 mΩ和35 mΩ)。

  英飛凌的CoolGaN BDS針對的應用包括儲能系統、電動汽車充電器和高性能工業轉換器。得益于其單片設計,BDS表現出優異的熱性能、低導通損耗和各類功率等級的可擴展性。典型的軟開關和硬開關波形如圖4所示。

氮化鎵

圖4

  單級隔離電源轉換拓撲,無論是諧振還是非諧振,都需要額定電壓為900至1200 V的開關器件。其他拓撲,例如三相雙向變換功率因數校正(PFC)和三相固定頻率諧振變換器,僅需650 V額定開關,并可通過BDS器件實現。

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