GaN Systems Transportation Articles

基于 GaN 的高频 LLC 谐振变换器的设计考量

本文针对高频 LLC 谐振拓扑将氮化镓(GaN)功率器件与硅基超结 MOSFET(Si SJMOS)和碳化硅 MOSFET(SiC MOS)进行对比,评估了 GaN 功率器件在性能上的优势。文章首先比较了实现高效率和高功率密度 LLC 谐振变换器的关键器件参数。然后,对基于 GaN,Si 和 SiC 的 3KW LLC 的损耗和效率进行分析,最后定量得出结论:基于 GaN 的 LLC 具有明显性能优势, GaN 功率器件对于实现高密度和高效率 LLC谐振变换器具有重要的价值。 作者:加拿大 GaN Systems, 刘学超 介绍 伴随着更高功率密度,更小尺寸和更高效率的明显趋势,高频 LLC 谐振变换器是工业隔离 DC / DC 拓扑的极佳解决方案,例如笔记本适配器(> 75W),1KW-3KW 数据中心电源和车载充电器(OBC)等。图 1 以半桥 LLC 谐振变换器拓扑电路为例,其开关频率分别为 100KHz 和 500KHz。在 500KHz 频率条件下,无源谐振元件(变压器,谐振电感器和谐振电容器)的尺寸大大减小,提高了功率密度。然而在高频条件下,需要考虑功率器件(Q1 和 Q2)的选型,以权衡效率和功率密度。 当前,GaN 功率器件技术已在市场上确立了成熟的地位和强劲的未来发展势头,尽管在硬开关应用中使用 GaN 可以显着提高效率,但在软开关拓扑中通常研究对比较少,文章将对基于 GaN功率器件的…

基于氮化镓的高频图腾柱 PFC 优化设计

氮化镓功率晶体管可提高电力电子系统的功率密度和效率。本文针对无桥图腾柱PFC 提出了开关频 率和滤波器相关设计指南,以验证氮化镓功率器件在系统级的优势。 作者:加拿大GaN Systems 公司 刘学超(Jimmy Liu),Paul Wiener 引言 众所周知,氮化镓功率器件为电力电子系统提高频率运行,实现高功率密度和高效率带来可能。然而,在高频下需要对EMI 性能进行评估以满足EMC 法规(例 EN55022 B 类标准)要求。为了达到此目标,本文提出了针对连续电流模式无桥图腾柱功率 因数校正电路(PFC)的EMI 滤波器设计流程。针对功率密度 增加带来的效率影响,将导致功率密度和效率之间的权衡,本文将氮化镓基无桥图腾柱PFC 与传统硅基PFC 进行了数据对比,并提出了采用基于氮化镓器件的图腾柱PFC 最佳范围来权衡功率密度和效率。 EMI 建模和滤波器设计 如图1 所示是单相无桥图腾柱PFC 的基本原理图。为了满足EMI 标准,在拓扑结构和交流电源之间需要添加EMI 滤波器,以衰减高速开关过程产生的噪声。文献[1] 已经对该拓扑进行了详细讨论。与传统的升压PFC 相比,由于省略了桥式二极管导通损耗,图腾柱PFC 系统的设计效率非常高。其中蓝色晶体管代表高速桥臂,一般采用宽禁带器件(例如GaN 功率器件)。主要原因是氮化镓器件具有零反向恢复(Qrr = 0),使得在高频换流过程中高频桥臂的开关损耗大大降低,所以可以采用连续电流模式对图腾柱PFC 进行设计,满足中大功率变换的需求。除了显着降低开关损耗外,氮化镓器件的零反向恢复还大大减少由高频换流di / dt 引起的EMI 噪声产生,特别是对于辐射噪声,可以参考文献[2]。本文下一部分将重点讨论高频连续电流模式图腾柱PFC 传导噪声的EMI 建模方法。   如图2 所示,EMI 噪声是通过连接在交流电源和被测设备(DUT)之间的线路阻抗稳定网络(LISN)进行测量。 EMI 测试接收器连接到LISN 的输出,以便与标准定义的限定值进行比较。该LISN 实际上相当于一个高通滤波器功能,目的是将高频噪声电流捕获到RC(0.1μF +50Ω)测试路径中被测设备产生的EMI 噪声可以由EMI 测试接收器通过50Ω 电阻测量。同时,LISN 还阻止了所有来自交流电网的噪声,以确保接收器仅仅从被测设备测得噪声。图2…

2020年 电力技术趋势

GaN Systems展望2020年与电力电子相关的改变游戏规则的技术 在过去的几十年里,“电力”这个主题一直被视为一种挑战,其主要集中在渐进式的改进上——无论是通过技术、政府法规,还是通过改变消费者的行为。 数据和能源是公认的全球经济增长的动力。 而且两者的需求都以前所未有的水平增长。 全球数百万个数据中心每天产生2.5亿个字节的数据,而在仅五到七年的时间里,预计其数据将以5倍的速度增长,这使数据消耗达到了前所未有的高度。 这些数据中心每年要消耗天文数字般的416太瓦/小时,以跟上这一需求。 在过去十年中,全球电力需求增长了近三分之一。 业内分析师预测,到2050年,全球电力需求将增长57%。 如今,对电力行业逐渐增加的依赖性使得能源效率已成为一项战略举措,例如数据中心,电动汽车,可再生能源系统,工业电机和消费类电子产品。 企业如何选择产生,存储,交付和使用电力,将成为2020年全球变化的重要动力。 在过去的一年中,在与企业领导者的对话中,我们对于GaN Systems比以往任何时候都更加确信,昔日的硅已经达到了解决关键电源系统挑战的极限。 GaN(氮化镓)技术是无可争议的清晰解决方案,可用于推动更强劲的增长和产品创新,并使公司能够加强对话并更深入地参与可持续发展计划。 随着年末的临近,GaN功率半导体的全球领导者GaN Systems揭示了2020年的四个趋势,我们认为这将对世界的功率和能源足迹产生重大影响。 趋势一: 电动汽车 在2019年,越来越明显的是,不久的将来交通运输将围绕电动汽车发展,从长远来看也将围绕电动汽车发展。 如今,全球道路上有510万辆电动汽车。 考虑到作为“燃料”电动汽车所需的电量。到2035年,预计将有1.25亿辆电动汽车上路。这将对全球能源网造成巨大不利影响。充电器和牵引逆变器的设计演变将在2020年在汽车设计工作室中扮演重要角色,然后在随后的几年中推向公共道路。 为了解决长期存在的“范围焦虑”问题,公共充电站的数量将继续增加,并将越来越关注太阳能和插头标准化。 电动汽车: 电动汽车的需求将继续以燃油效率压力和续驶里程为消费者需求的中心。 大型汽车制造商的设计将着重于提高效率,功率密度和减轻重量,着重于充电器和牵引逆变器。 电池技术将继续改进,然后与重量更轻的车辆相结合,将有助于增加车辆续航里程和消费者接受度。

GaN Systems和SPARX推动氮化镓用于电动汽车

安大略省渥太华市,2019年12月17日– GaN Systems今天宣布,SPARX集团的“Mirai 创新基金 II”(简称“ Mirai基金”)已对GaN Systems公司进行了投资。Mirai基金以加速创新为目标向公司提供资金,其中汽车电动化为其主要目标之一,以此利用“新电能”塑造未来并影响世界。基金的目标和愿景与整体汽车产业在百年一遇的深刻变革时期正朝着“移动互联“的发展方向一致。Mirai基金的出资人包括在公开发布中所熟知的丰田汽车公司(简称”丰田“)。在今年10月举行的2019东京车展上,全氮化镓(All GaN)车被曝光。由名古屋大学未来材料与系统研究所与丰田先进电力电子技术研究部共同开发的全氮化镓汽车使得氮化镓在电动汽车中具有多种应用:在牵引逆变器中,氮化镓将效率提高了20%,从而提升了电动汽车一次充电的续航里程;在DC-DC变换器中,可将系统尺寸减小75%;在车载充电机中,以及氮化镓用于LED照明为夜间驾驶提供道路照明。近来全氮化镓汽车出现在东京及其周边地区,此次东京车展上播放的视频中证实了这一点。GaN Systems继续在汽车行业中建立强大的地位,吸引了更多的客户和战略投资者,体现了氮化镓器件在牵引力逆变器,车载充电机和DC-DC变换器等EV动力总成应用中的价值主张。“对于我们一流器件性能的信心,业界最高额定电流器件的发布以及我们超过AEC-Q101汽车行业标准的器件可靠性的结合,使得越来越多的汽车OEM厂商和一级公司做出了投资我们公司的决定并采用我们的器件,” GaN Systems首席执行官Jim Witham说。 “随着行业从内燃机转向电动汽车,非常荣幸看到很多汽车公司利用氮化镓取得了优势。”“在评估了各种功率半导体技术和设计之后,氮化镓成为了汽车应用中功率的重要组成部分,我们对GaN Systems的投资补充了我们塑造未来并影响世界的愿景。” SPARX集团总裁兼首席执行官Shuhei Abe说。 — 关于GaN SystemsGaN Systems是氮化镓功率半导体的全球领导者,拥有最广泛的产品系列,可以独特地满足当今最严苛行业的需求,其中包括数据中心服务器,可再生能源系统,汽车,工业马达和消费电子产品。作为市场领先的创新者,GaN Systems使设计更小,更低成本,更高效的电源系统成为可能。该公司屡获殊荣的产品为系统设计提供了机会,而不再受以前的硅材料的限制。通过提高功率器件性能,GaN Systems使电源变换器公司能够革新其行业并改变世界。有关更多信息,请访问:www.gansystems.com.

Key Takeaways: The 7th Workshop on Wide Bandgap Power Devices and Applications (WiPDA 2019)

By Peter A. Di Maso, Director at GaN Systems It was a great pleasure to attend and participate at the recent WiPDA 2019 conference held on the campus of North Carolina State University. The week started off with the semi-annual meeting of JEDEC‘s JC-70 Wide Bandgap Power Electronic Conversion Semiconductor committee. JEDEC is the global…

Paul Wiener addresses the Airfuel Members Meeting

Global Wireless Charging – Full Speed Ahead

In September, I visited different corners of the globe, participating in wireless power conferences and customer discussions. My first stop was to the ITRI Wireless Power Workshop in Taiwan, where industry experts such as the analyst firm IHSMarkit reviewed the growth in wireless power and the predicted enormous expectation for future growth. Additionally, I attended…

GaN Systems is featured in EE Times

文章: 氮化镓正在推动功率半导体的发展

This article was originally published on www.eetimes.com on September 24, 2019, written by Maurizio Di Paolo Emilio. 氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)功率半导体器件正逐渐取代硅基器件,这主要是因为使用GaN或SiC功率晶体管可以带来更直接、更高效的储能解决方案。预计到2025年,GaN和SiC市场的总价值将超过30亿美元,并将在可再生能源和电动汽车的推动下大幅增长。我们生活在一个越来越多的数据中心、电动汽车、工业发动机蔓延的世界里。每个人都需要改善他们的能源使用情况。 实际上,由于使用了氮化镓,因此可以制造出比硅基电源效率更高的电源,能够用更少的元件提供更高的电流,从而大大缩小了装载机的体积。 我们采访了GaN Systems公司战略营销副总裁Paul Wiener,就GaN的挑战和未来的发展进行了采访。GaN Systems公司在汽车领域等多个工业领域提供各种解决方案。 EE Times:GaN技术可能是当今和未来各种应用中无可争议的明确解决方案。尤其是与其他宽带隙材料相比,GaN的重要性不可比拟。您对GaN技术的应用对市场的发展有何期待? Wiener: 各个市场的电力需求都在增加,预计全球对电力的需求将从现在的2.5万TWh增加到2050年的3.8万TWh。在行业层面,全球800万个数据中心的能源使用量占全球能源使用量的2-3%,预计这一比例将上升到5%以上。工业电机的能耗占30%,而且还在不断增长,到2040年,电动汽车将成为全球能源消费的大户,占全球能源消费的5%。氮化镓可以减少所有这些系统的损耗。 GaN在推动功率半导体的创新方面具有重要意义。GaN正在满足新的器件要求,即更高的功率和性能、更高的效率和更小的尺寸。 与SiC等宽带隙半导体相比,GaN在成本和材料的可得性、性能以及中低电压要求的设计机会等方面,都提供了更有利的效果。 与SiC相比,使用GaN构建的系统具有更大的功率密度改进。其栅极电荷低、反向恢复为零、输出电容平坦等优点都能带来高质量的开关性能。随着时间的推移,可以轻松预测GaN价格与硅竞争,特别是由于GaN是在硅片上生产的。 现在,我们看到了GaN引领的下一次电源革新。几年前,GaN还停留在大学的研究实验室里,而如今,像Denso、Sonnen和Supermicro这样的知名公司已经描述了GaN功率半导体如何改善他们的系统。许多公司已经在其生产的产品中利用了GaN的优势。同时,GaN生态系统也更加强大。驱动器和磁性件,以及对如何使用它们的理解变得更加清晰可见。 EE Times: 您认为未来有哪些挑战会影响到电力解决方案,您计划如何发展您的成套产品以应对这些挑战? Wiener: 虽然GaN供电的器件已经开始商业化,但使用这些电压的产品创新空间还很大。因此,100V和650V的GaN器件正在服务于电力系统的当前和近期的需求。 同时,我们还需要不断地追求更高效、更小以及更低的成本。这需要我们不断创新产品设计和封装技术。此外,该生态系统将创造出控制器和磁控器,以利用GaN性能不断提高的优势。 EE Times: 热管理在电力应用中的重要性有多大?能举个例子吗? Wiener: 热管理是非常重要的。高功率系统中的高效率一直是重点。客户都希望GaN能够帮助他们。例如,在基于硅MOSFET的20kW系统中,95%的效率意味着1000W作为热量被浪费掉,而不是作为功率被利用。而采用GaN后,损耗可以减少50%,从而降低了管理热量所需的成本和面积。 我们通过各种方法来解决这个问题。首先,我们为我们的芯片设计了嵌入式封装,通过有效地将热量从器件中抽出,实现了输出功率的最大化。我们还为我们的器件开发了IMS(绝缘金属基板)系统,以进一步管理高功率应用中的热敏电阻。最后,对于我们的最高电流的器件,包括最近发布的150A器件,这部分是作为芯片产品销售的,这样电源模块公司就可以直接将其封装到他们的模块产品中,以最大限度地进行热管理。 EE Times:电动汽车被认为是一种绿色技术。GaN系统在这个应用中的参与度有多高,你们在改进技术方面做了哪些工作,比如说提高电池电源管理的效率? Wiener: GaN Systems公司在电动汽车和自动驾驶汽车市场上有大量的应用。应用领域包括车载电池充电器(OBC)、DC/DC转换器和牵引式逆变器。在所有这些应用中,客户都表现出尺寸和重量都在3-5倍的范围内减小,运行效率提高了几个百分点。最有趣的是,与硅相比,GaN的系统成本通常不会比硅高。这些改进为电动汽车公司提供了几个好处,包括更长的续航里程的车辆;更小的、更低的成本电池;由于系统更小,也许是风冷而不是水冷,优化的系统在车内的布局也是一个新的设计自由度(图2)。   See this article in its originally…

A World Without Wires

Smart mobile electronic devices have changed the way that we perceive and interact with the world around us. Electric cars, buses, scooters, and bikes are transforming the face of our urban transportation landscape. Autonomous robots in intelligent factories and aerial drones making deliveries are challenging past preconceptions about the ways that we create and distribute…

GaN Systems could seek partnerships for subassembly strategy

This article was originally published in Acuris.com. A small portion is available here and the rest can be read along with supporting graphics and charts in the PDF below. GaN Systems, an Ottawa, Canada-based gallium nitride power systems company, could seek partnerships or capital to expand into making sub-assemblies, said Jim Witham, CEO. Witham declined to…

Using MOSFET Controllers to Drive GaN E-HEMTs

This article was originally published in Bodo’s Power Systems August 2019 issue by By Yajie Qiu, Senior Power Electronics Applications Engineer, and Juncheng (Lucas) Lu, Applications Engineering Manager, GaN Systems. A small portion is available here and the rest can be read along with supporting graphics and charts in the PDF below. Before gallium nitride (GaN),…