【应用】EPC提供多种eGaN®FET用于汽车和消费类/激光雷达/无线电源/音频/太空应用

2020-04-10 EPC
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目前,电力电子行业已经达到了硅MOSFET的理论极限,需要新的更好的材料,而GaN就是这样一个可行的替代。GaN晶体管比硅MOSFET更快,更小,效率和性能已大大提高,从而可以实现硅技术无法实现的几种新应用。EPC的eGaN®FET采用低电感,低电阻,小型和低成本LGA或BGA封装。此外,在硬开关和软开关应用中,与MOSFET相比,它们为设计师提供了同类最佳的产品。


汽车和消费类解决方案

新兴的计算应用需要更小尺寸的电源。除了服务器市场不断增长的需求外,最具挑战性的应用是多用户游戏系统、自动汽车和人工智能。在电子控制耗能功能的增加和自动驾驶汽车的出现对能量分配系统上的激光雷达,雷达,照相机和超声传感器等系统提出了更高的要求,推动了汽车系统朝48V设备发展。这些处理器非常“耗能”,给汽车领域的传统12V配电总线带来了额外负担。对于48V总线系统,GaN技术可提高效率,减小系统尺寸并降低系统成本。与MOSFET解决方案相比,具有两倍频率的250 kHz GaN解决方案可使尺寸减小35%,从而降低电感器DCR损耗,并将系统成本降低约20%。氮化镓具有极高的电子迁移率和较低的温度系数,可实现低QG和零QRR。最终结果是,该设备可以管理具有很高开关频率的任务,并且导通时间短的设备以及导通损耗占主导的设备都是有益的。


高功率EPC eGaN®FET在导通状态下具有较低的电阻,较低的电容,较高的电流以及出色的热性能,这些功率转换器的效率超过98%。 该eGaN FET系列将电阻(RDS(on))减半,以实现高电流和高功率密度应用。

图1    48 V轻度混合动力系统的表示形式


与上一代产品相比,最新一代的eGaN FET的硬开关品质因数也降低了一半,从而改善了高频功率转换应用中的开关性能。 将GaN的性能优势提高到30 V,可用于构建高功率DC / DC转换器,PoL转换器以及用于隔离式电源,PC和服务器的同步整流器。


通过采用eGaN®FET(例如EPC2045),可以实现最小、最具成本效益、最高效率的适用于高性能计算和电信应用的非隔离48 V-12 V转换器。 EPC2045的工作温度为-40~+150°C,热阻为1.4°C / W。 漏源导通电阻典型值为5.6mΩ。

图2  效率与电流


在消费市场上,便携式解决方案正变得越来越“耗能”。 考虑到笔记本电脑的小体积,有时几乎不会使用散热解决方案,因此能够效率和热量管理非常重要。 对快速高效充电器的需求已将市场引导至新的GaN解决方案。

图3  EPC9148


激光雷达

在激光雷达系统中打开激光器时,eGaN®FET和IC是合乎逻辑的选择,因为可以激活FETs以产生具有极短脉冲宽度的高电流脉冲。 短脉冲宽度导向更高的分辨率,而更高的脉冲电流使激光雷达系统可以探测地更远。 这两个功能以及极小的尺寸使GaN非常适合激光雷达。


EPC提供各种开发板。 EPC9144主要设计用于驱动具有高电流脉冲的高电流激光二极管,总脉冲宽度为1.2 ns,电流最高为28A。该电路板围绕通过了AEC-Q101认证的15 V eGaN®FET  EPC2216设计。 EPC9126EPC9126HC开发板主要用于驱动具有高电流脉冲的激光二极管,总脉冲宽度低至5 ns(峰值的10%)。 它们采用100V EPC2212EPC2001C  eGaN®FET设计,能够分别提供75 A和150 A电流脉冲。

图4   EPC9144开发板


基于此技术,Cepton的最新激光雷达解决方案Helius提供了高级的对象检测,跟踪和分类功能,可为智慧城市,交通基础设施,安全性等提供广泛的应用。 它体现了三种尖端技术的前所未有的融合:由Cepton的专利高准技术(MMT™)支持的行业领先的3D激光雷达感应;边缘计算可最大程度地减少数据负担并最大程度地简化集成; 以及用于实时分析的内置高级感知软件。


激光雷达也已成为一个非常重要的市场。 它是公认的自动驾驶汽车解决方案。 但是,近距离激光雷达的市场正在快速增长,这种激光雷达已被用于诸如可以看到几英尺的机器人,避免碰撞的无人机以及驾驶员警觉系统之类的事情。 短距离激光雷达系统不需要远距离激光雷达系统那么大的电流,但是看到短距离意味着需要更快的脉冲。 因为如果要测量的是距离一米远的物体,则意味着返回信号将在十亿分之一秒之内返回。 EPC已经演示了用于短距离激光雷达的系统,其脉冲宽度小于1.2 ns。


无线电源

变送器可以放置在家具,墙壁,地板上,以在大面积和多个设备上高效,经济地为我们的电子和电气设备供电或充电。 无线能量传输的概念已经有一段时间了,确切地说是100多年来,可以追溯到特斯拉线圈的发明。 无线能量传输的一个关键因素是效率:为了能够有效地定义系统,由发生器传输的大部分能量必须到达接收设备。


磁共振技术是无处不在的实现的关键:实现大面积传输,定位接收设备的空间自由度以及同时为多个设备供电的能力。

EPC提供了完整的发射器和接收器参考设计,从单个设备充电到在大表面积上同时供电的多个设备。 GaN可实现低频(Qi)和高频(AirFuel)标准的高效率,从而支持较低的成本; 单发射放大器解决方案,无论接收设备中使用的标准如何,都可以为设备无线充电。 依赖Qi标准的无线充电系统通过在100至300 kHz范围内的频率进行感应耦合来工作。

图5   EPC2037 eGaN FET

音频应用

D类音频系统的低功耗产生更少的热量,节省了印刷电路板的空间和成本,并延长了便携式系统的电池寿命。 GaN FET提供更高保真度的D类音频放大器。 然而,近来,随着具有更好物理性能的基于GaN的高电子迁移率晶体管(HEMT)器件已成为现实,D类放大器性能的飞跃已经临近。


eGaN®FET的低电阻和低电容提供了低瞬态互调失真(T-IMD)。 快速开关功能和零反向恢复电荷可实现更高的输出线性度和更低的交叉失真,从而降低总谐波失真(THD)。


一流的D类放大器是为汽车设计的,因为它们希望在汽车中拥有更多的扬声器和更大的功率。 A类放大器太大了,无法产生超过25瓦的功率,但仍可以装在仪表板上。 D类于1980年代首次推出,并驱动了整车配备的16个扬声器(功率为250W)。 但是,D类放大器声音质量不如A类放大器。这是因为MOSFET的开关速度不够快,因此,较低的开关频率意味着质量相对较差的再现。 当然,有了GaN器件,可以选择更高的频率。


太空应用

增强模式版本(eGaN)的氮化镓被广泛用于太空应用的开发中。 商用GaN功率器件提供的性能要比基于硅技术的传统Rad Hard器件高得多。 这样就可以实现创新的架构,并将其应用于卫星,数据传输,无人机,机器人和航天器上。

图6   隔离式功率调节单元–使用EPC设备设计的铯PCU-1C28


eGaN FET具有抗辐射能力,快速的开关速度,更高的效率,从而导致电源更小,更轻(在许多情况下,磁体更小,散热器尺寸减小,甚至消除了散热器)。 电源设计人员可以选择增加频率以允许使用较小的磁体,提高效率或在两者之间取得令人满意的平衡。 eGaN FET也小于等效MOSFET。 更快的瞬态响应也可以减小电容器的尺寸。


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