Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Proszę, dodaj wyjątek dla www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Krzem jest martwy a teraz umierają dyskretne urządzenia mocy

ghost666 27 Cze 2020 20:26 2181 0
  • Krzem jest martwy a teraz umierają dyskretne urządzenia mocy
    Rys.1. Teoretyczna rezystancja urządzenia
    o powierzchni jednego milimetra kwadratowego
    w porównaniu z zdolnością blokowania napięcia
    dla urządzeń mocy opartych na Si i GaN.
    Gen 4 (fioletowe kropki) i Gen 5 (zielone gwiazdki)
    ilustrują aktualny stan układów GaN.
    Przez ostatnie ponad cztery dekady sprawność systemów zasilania i ich koszty stale się poprawiały, ponieważ innowacje w strukturach MOSFET, technologii czy topologiach obwodów mocy nadążały za rosnącym zapotrzebowaniem na energię elektryczną. Jednak w nowym tysiącleciu tempo poprawy drastycznie spadło, gdyż krzemowe MOSFETy mocy zbliżają się do swoich teoretycznych granic. Jednocześnie nowy materiał, azotek galu (GaN), stale rozwija idzie w kierunku swojej teoretycznej granicy wydajności, która jest 6000 razy lepsza niż się technologia krzemowa i 300 razy lepsza niż najlepsze produkty GaN obecne teraz na rynku (patrz rysunek 1).

    Początek

    Tranzystory FET z azotku galu pracujące w trybie wzbogacenia (eGaN) od EPC są produkowane od ponad 10 lat, a urządzenia piątej generacji są o połowę mniejsze od swoich poprzedników z czwartej generacji, są dwa razy szybsze, a jednocześnie są wycenione porównywalnie z MOSFETami. Wczesny sukces tranzystorów mocy i układów scalonych opartych na GaN początkowo wynikał z przewagi prędkości tych elementów w porównaniu z krzemem. Tranzystory GaN-on-Si (azotek galu na krzemie) przełączają się około 10 razy szybciej niż tranzystory MOSFET i 100 razy szybciej niż tranzystory bipolarne z izolowaną bramką (IGBT).

    Krzem jest martwy a teraz umierają dyskretne urządzenia mocy
    Rys.2. Wyniki ankiety cenowej dystrybutora
    dla FET eGaN o napięciu 100 V w porównaniu
    z MOSFETami o równorzędnej mocy.
    Ceny eGan FET są pokazane wewnątrz
    czerwonych owali.


    Aplikacje, takie jak śledzenie obwiedni RF dla stacji bazowych 4G/LTE oraz systemy LIDARowe dla samochodów autonomicznych, robotów, dronów i systemów bezpieczeństwa były pierwszymi aplikacjami, w których w pełni wykorzystano zdolność szybkiego przełączania urządzeń z GaN. Dzięki sukcesowi tych wczesnych zastosowań wielkość produkcji urządzeń zasilających GaN wzrosła i obecnie są one w punkcie, w którym ceny są równoważne wolniejszym i większym, równorzędnym komponentom MOSFET mocy (rysunek 2).

    Przyspieszenie przyjmowania urządzeń mocy GaN

    Dzięki konkurencyjności cenowej bardziej tradycyjne aplikacje o dużej bezwładności zaczęły również stosować rozwiązania GaN. Projektanci zasilaczy zdali sobie sprawę, że tranzystory polowe eGaN mogą znacząco przyczynić się do zwiększenia gęstości mocy i budowy sprawniejszych zasilaczy DC-DC 48 V, które są potrzebne w aplikacjach obliczeniowych o wysokiej gęstości do przetwarzania w chmurze, sztucznej inteligencji, uczenia maszynowego i gier.

    Firmy motoryzacyjne zaczynają również przyjmować topologię rozdziału zasilania szyny 48 V w samochodach z łagodnym napędem hybrydowym. Wymagania dotyczące tych producentów samochodów dotyczą przetwornic 48 V - 14 V dwukierunkowych. Muszą być również wysoce wydajne, niezawodne i ekonomiczne. eGan FET zaprojektowane w kilku z tych systemów pojawią się w samochodach w ciągu najbliższych dwóch do trzech lat.

    Krzem jest martwy a teraz umierają dyskretne urządzenia mocy
    Rys.3. (a) Rysunek monolitycznego stopnia
    ePower EPC2152 o wymiarach 3,9 mm x 2,6 mm;
    (b) równoważny schemat obwodu.
    Krzem jest martwy a teraz umierają dyskretne urządzenia mocy
    Rys.4. Wydajność w porównaniu do prądu
    wyjściowego dla konwertera buck
    48 VIN - 12 VOUT zarówno przy 1 MHz,
    jak i przy 2,5 MHz za pomocą monolitycznego
    układu scalonego ePower EPC2152
    w porównaniu z wydajnością tego samego
    obwodu z dyskretnymi tranzystorami GaN
    z półmostkowym krzemowym
    scalonym sterownik.
    Poza dyskretnymi urządzeniami zasilającymi

    Oprócz poprawy wydajności i kosztów, najważniejsza przyczyną, aby technologia półprzewodników GaN wpłynęła na rynek konwersji mocy, wynika z jej wewnętrznej zdolności do integracji wielu urządzeń na jednym podłożu. Technologia GaN, w przeciwieństwie do standardowej krzemowej technologii układów scalonych, pozwala projektantom wdrożyć monolityczne systemy zasilania zintegrowane w jednym chipie w prostszy i bardziej opłacalny sposób, niż można to osiągnąć jedynie za pomocą technologii krzemowej.

    Układy scalone wykonane przy użyciu podłoży GaN-na-Si są produkowane już od ponad pięciu lat. Od tego czasu układy scalone oparte na GaN przeszły różne fazy integracji, przechodząc od początkowych czystych dyskretnych urządzeń do monolitycznych elementów półmostkowych, do zasilania tranzystorów polowych z własnym zintegrowanym monolitycznie sterownikiem, a ostatnio do w pełni monolitycznych stopni mocy zawierający zasilające tranzystory polowe, sterowniki, obwody przesuwające poziom, logikę i zabezpieczenia.

    Na początku 2019 roku funkcja sterownika i monolityczny pół mostek zostały zintegrowane na pojedyncze podłożu GaN-na-Si wraz z translatorem poziomów, synchronicznym obwodem rozruchowym, ochroną i logiką wejściową, jak pokazano na rysunkach 3 (a) i 3 (b). Ten kompletny stopień mocy ePower, może być sterowany z częstotliwościami wielu megaherców i sterowany za pomocą prostego układu CMOS z odniesieniem do masy, z dodanymi jedynie kilkoma elementami pasywnymi. W ten sposób łatwo jest skonstruować kompletny stabilizator DC-DC. Rysunek 4 pokazuje sprawność tego monolitycznego stopnia mocy przy przełączaniu z częstotliwością 1 MHz i przy 2,5 MHz w konwerterze o topologii buck 48 VIN - 12 VOUT.

    Źródło: https://www.eetimes.com/silicon-is-deadand-discrete-power-devices-are-dying/

    Fajne! Ranking DIY
    Potrafisz napisać podobny artykuł? Wyślij do mnie a otrzymasz kartę SD 64GB.
    O autorze
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 napisał 9843 postów o ocenie 8059, pomógł 157 razy. Mieszka w mieście Warszawa. Jest z nami od 2003 roku.