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將GaN在IC內部集成,可靠性提高成為新技術普及的新動力

日期:2019/10/9 11:11:51
摘要:第一代半導體以硅(Si)、鍺(Ge)為代表,主要應用在數據運算領域,隨著科技需求日益增加,硅傳輸速度慢、功能單一的不足突顯,同時摩爾定律演進趨緩,以新材料、新結構以及新工藝為特征的“超越摩爾定律”成為新的發展方向。

關鍵詞:IC

第二代半導體以砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)為代表,是制作高性能微波、毫米波器件及發光器件的優良材料,主要應用于通信領域。

隨著智能手機、新能源汽車、人工智能等新興應用的發展,全球能源和環境危機突出,能源利用趨向低功耗和精細管理,第一、二代半導體材料已經無法滿足需求,急需新的材料進行替代。第三代半導體材料以GaN和SiC為代表,憑借寬禁帶、高熱導率、高擊穿電場、高抗輻射能力等特點,在許多應用領域發展迅速,市場潛力巨大。據Yole預測,2021年全球SiC市場規模將上漲到5.5億美元,GaN市場將達到3億美元。

未來,這些半導體新材料發展前景如何?會在哪些領域發揮越來越重要的作用?GaN和SiC應該如何突破發展瓶頸?

針對以上問題,與非網策劃了新一期專題《超摩爾時代的半導體工藝、材料創新》,本次專訪邀請了Power Integrations公司營銷副總裁Doug Bailey參與討論。

Power Integrations公司營銷副總裁Doug Bailey

鑒于第三代半導體材料的諸多技術優勢,Power Integrations(以下簡稱:PI)早在十幾年前就開始研發GaN技術,如今已向消費產品市場出貨100萬顆芯片,這些市場包括智能手機充電器/適配器、智能電源插座和家電等。我們已從客戶方面獲得非常積極的反響反映。

多款產品助推GaN的應用普及

最近推出了一系列恒壓/恒流離線反激式開關電源 IC – InnoSwitch 3,該系列IC采用了高壓GaN開關技術,在各種負載條件下具有一致的高性能,效率高達95%,輸出功率可達100 W,并且在密閉的適配器應用中無需散熱片即可實現高達100 W的輸出功率。

準諧振模式的InnoSwitch3-CP、InnoSwitch3-EP和InnoSwitch3-Pro IC在一個表面貼裝封裝內集成了初級電路、次級電路和反饋電路。在新發布的系列器件中,PowiGaN開關替換了IC初級的常規高壓硅晶體管,這可以降低電流流動期間的傳導導通損耗,并極大降低了開關損耗。這最終有助于大幅降低電源的能耗,從而提高效率,使體積更小的InSOP-24D封裝提供更大的輸出功率。

新IC無需不依賴于外圍元件的參數即可提供精確的恒壓/恒流/恒功率輸出特性,非常易于并輕松與外部的接快充協議接口IC協同工作,因此適用于很多高效率反激式設計,例如,移動設備、機頂盒、顯示器、家電、網絡設備和游戲機的USB-PD和大電流充電器/適配器。InnoSwitch3-CP和InnoSwitch3-EP的電源特性可以通過改變硬件參數的方式進行配置,而InnoSwitch-Pro集成先進的I2C數字接口,可通過軟件實現對恒壓和恒流的設置點、異常處理以及安全保護模式選項的控制。

除反激式開關電源IC外,PI還發布了基于GaN的LED驅動器IC。LYTSwitch?-6安全隔離型LED驅動器IC可為智能照明應用提供110 W無閃爍輸出,效率可高達94%,并且待機功率低于30 mW。同時提供支持兩級或單級PFC的配置選項。全新LYTSwitch-6 IC的高效率和高功率密度特性決定了設計人員可輕松實現小型電源設計。

PI可以同時提供靈活性極高的IC級和板級SiC MOSFET驅動器。在大功率系統中,寄生電感可在開關期間導致電壓超過所允許的限值公差范圍,并由此引發故障,因此需要驅動器快速作出響應以防止系統受損。PI的SiC門極驅動器產品集成了保護電路,可在系統短路時安全地關斷開關。PI采用特有的高級有源鉗位技術和精密的閉環開關保護機制,不僅能提高正常工作期間的開關效率,還可降低故障期間SiC器件的應力。

將GaN元件進行集成化,加速其市場應用速度

目前,第三代半導體材料SiC和GaN在禁帶寬度、擊穿電場、抗輻射能力等方面表現優異,但是發展速度不是很快,業界一直在探討如何突破SiC和GaN的發展瓶頸。Doug Bailey認為,設計人員在使用元件之前,沒必要去評估它們的制程技術。我們的開關電源IC中集成了GaN元件,GaN技術的控制實現方式是復雜的,用戶無法看到。他們唯一能覺察到的是性能的改進。對于SiC MOSFET驅動器而言,情況也是如此:這些元件不需要用戶掌握特殊的設計知識。我們已經宣布(向充電器廠商Anker)交付第一百萬顆GaN器件,根據Anker的積極反饋以及其他多家客戶的大數量訂單,我們有理由相信GaN器件很快就會在市場上普及開來。

由于SiC和GaN等新型材料的諸多優勢,業界一直探討,它們是否會完全取代Si材料?Doug Bailey表示,在實現高效率和小尺寸方面,GaN是一項明顯優于硅技術的關鍵技術。我們預計眾多電源應用會從硅晶體管快速轉換為氮化鎵。自從我們在18個月之前推出硅技術新器件以來,InnoSwitch3已成為離線開關電源IC市場當之無愧的技術先行者,隨著我們的反激式產品在效率和功率輸出能力方面的提高,新的氮化鎵IC進一步鞏固了我們的優勢地位。