德州儀器鎖定車用GaN市場 推新品搶市

德州儀器(TI)推出全方位整合式650-V車用GaN FETs能發揮氮化鎵的材料優點,實現高效率、高頻率開關性能,且不會衍生設計與元件選擇問題。透過低電感四方扁平無引線(QFN)封裝,GaN FETs與驅動器近距離整合後,能大幅減少寄生閘極迴路電感,因此無須擔心閘極過載或寄生米勒導通現象。同時,低共源極電感能實現快速切換、減少功耗。

為了加速電動車(EV)技術導入,滿足消費者對續航里程、充電時間與性價比的要求,全球汽車大廠在研發上需要更高的電池容量、更快的充電性能,同時盡可能降低或維持設計尺寸、重量或元件成本。

透過EV車載充電器(OBC),消費者能在家用、公用或商用充電站,直接以AC電源為電池充電。順應當前潮流,這項技術目前也快速發展。為提高充電率,OBC的額定功率已從3.6kW提升至22kW,不過,設計人員也必須思考如何在不影響續航里程的前提下,將OBC與電動車既有機械系統整合。另一業界趨勢則是將現今OBC低於2kW/L的功率密度,逐步提高至4kW/L。

OBC是一種開關式功率轉換器,主要由變壓器、電感器、濾波器、電容器等被動元件與散熱器組成。提高開關頻率能減少被動元件的尺寸,但金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFETs)、絕緣柵雙極電晶體等開關元件的功耗也會隨之提高。

元件尺寸縮小後,能用於排熱的表面積也減少,因此必須進一步降低功耗,才能維持元件溫度不變。達成高功率密度需要同步提升開關頻率與效率,而這是過去矽基功率元件無法克服的難題。

追求提高開關速度(元件端點之間電壓與電流的變化速度)的同時,必須減少開關能量損耗,否則實際最大頻率將會受限。採用低電感電路布局設計、端點間寄生電容低的功率元件,將是未來的研發方向。

氮化鎵(GaN)、碳化矽(SiC)等寬能隙功率半導體具有優良物理特性,因此使用此類材料開發的功率元件,能實現極低的電容以及理想的導通電阻。

與相較於MOSFET有較高的崩潰電壓值於相同晶粒體積下,氮化鎵的崩潰臨界電場高於矽的10倍,電子遷移率也比矽高出33%,具有低導通電阻與低電容的雙重優點。因此,與矽元件相比,氮化鎵與碳化矽FETs能在更高的開關速度下運作,且功率損耗更低。

德州儀器表示,公司推出的氮化鎵元件具有超過4000萬小時的可靠度,且10年生命週期失效率小於1,絕對能滿足汽車製造商對強健性的高標準。不只如此,TI氮化鎵並非採用碳化矽或藍寶石基板,而是以常見矽基板與現有製程節點生產,100%由內部廠房製造,提供客戶無可比擬的供應鏈與成本優勢。