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千瓦應用需求有增無減 眾廠齊推GaN功率元件

隨著科技演進,如何提升能源使用效率是業界共同的挑戰。其中,無論是在消費電子、工業自動化或是雲端運算帶來的伺服器,各個領域都在追求更高的功率密度,以達到逐漸提升的電力要求。 氮化鎵(GaN)功率元件能夠使電子傳導更有效率,也能縮小元件體積,因此未來全球GaN功率元件市場將持續成長(圖1)。儘管目前功率元件依然以矽MOSFET為主流,但已有許多廠商陸續推出氮化鎵材料元件,以做到更高的切換頻率與更小晶片尺寸。 圖1 全球GaN元件市場價值 資料來源:Coherent Market Insights 電動車/伺服器率先導入GaN元件 日前於2018年慕尼黑電子展(Electronica Trade Show)上,氮化鎵半導體技術廠商Exagan發布了GaN高功率轉換解決方案。該公司也指出,伺服器與電動車將成為率先導入的兩大應用領域。 Exagan致力於氮化鎵半導體技術創新,在2018年慕尼黑電子展會上,該公司更展示了其針對千瓦級應用的G-FET和G-DRIVE兩大產品線,提供高效能、極低耗損的電能轉換,且具有增強功率的快速開關元件,適用於汽車與伺服器應用。此二最新發布的新型GaN產品解決方案,展示了Exagan的200-mm CMOS製程技術,同時也顯示出Exagan對GaN技術的充分掌握。 根據研究單位IDC的數據顯示,2018年第一季全球伺服器出貨量,相較於2017年同期成長了20.7%至270萬台。快速成長的伺服器市場電源,也將成為首批導入Exagan GaN解決方案的電源應用。 汽車電子也是另一項GaN電源轉換解決方案的重要應用。在2018年慕尼黑電子展會上,Exagan總裁兼首席執行官Frédéric Dupont表示,GaN小巧輕便與具成本效益的特性,使得該解決方案相當適合應用於電動車之中。 該公司的G-FET和G-DRIVE產品線將提供市場更為全面的GaN解決方案組合,Dupont進一步指出,該公司亦於近期在法國與台灣設立了應用中心,致力於與客戶能有更緊密的合作,進而滿足新興的電源轉換需求。 英飛凌GaN HEMT/驅動器進入量產 在2018年慕尼黑電子展會上,英飛凌科技(Infineon Technologies)也發布了氮化鎵解決方案--CoolGaN 600V增強型HEMT和氮化鎵驅動IC EiceDRIVER。 新款CoolGaN 600V增強型HEMT採用可靠的常閉概念,已優化實現快速開通和關斷。它們可在開關式電源(SMPS)中實現高能源效率和高功率密度,其優值係數(FOM)在目前市面上所有600V元件中首屈一指。 CoolGaN擁有高可靠性,品管過程不僅對元件本身,還針對其在應用環境中的性能進行全面測試,以確保CoolGaN開關滿足品質標準。 另一方面,EiceDRIVER驅動IC則是CoolGaN增強型HEMT的完美搭檔,專為確保CoolGaN開關實現強固且高效的運作所設計,同時大幅減少工程師研發工作量,加快產品上市時程。 功率密度要求持續提升  GaN新品實現千瓦應用 為滿足千瓦以上應用需求,德州儀器(TI)亦於日前推出GaN FET產品系列。德州儀器類比IC應用經理蕭進皇(圖2)表示,GaN元件能操作的切換頻率相對於MOSFET更高,在提升切換頻率後,包含電容等整體晶片體積都將縮小;相比之下,GaN元件設計重量只有MOSFET元件的六分之一。如此一來,不但能達成節省能源、降低成本,在晶片體積縮小之後,亦能擴大放置其他元件的空間。 圖2 德州儀器類比IC應用經理蕭進皇表示,GaN元件能操作的切換頻率相對於MOSFET更高,在提升切換頻率後,包含電容等整體晶片體積都將縮小。 為因應此趨勢,德州儀器日前推出新型600V GaN、50mΩ和70mΩ功率級產品組合,能支援高達10kW應用。與應用於AC-DC電源供應器、機器人、可再生能源、電網基礎設施、通訊和個人電子的場效應電晶體(FETs)相比,該產品系列能協助工程師打造更小、更高效且更高性能的設計。 蕭進皇進一步說明,目前MOSFET元件皆需要再外掛驅動控制,然而該產品將驅動控制納入同一個封裝之中,如此一來便能降低電子電路設計難度,縮短設計者的開發時間。 在未來,持續提升功率密度將是電源設計的主流趨勢。另一方面,將主動和被動零組件整合於電力系統之中,也能更可靠地實現縮小尺寸的目標。GaN元件能夠應用在個人消費電子、工業馬達驅動、電網基礎設施等不同功率等級的應用之中,功率應用範圍從瓦橫跨到千瓦等級。 德州儀器的GaN FET產品系列擁有整合獨特的功能與保護特性,不僅簡化設計,同時實現更高的系統可靠度與最佳化高壓電源供應的性能,進一步為傳統串接(Cascade)和獨立(Stand-Alone)的GaN FET提供了智慧替代解決方案。透過整合的<100ns電流限制和過熱偵測(Overtemperature Detection)功能,此裝置可防止意外的直通事件(Shoot-Through)與熱失控 (Thermal Runaway)發生,且系統介面訊號提供了自我監測的能力。 然而,由於GaN元件相對成本依然較高,因此蕭進皇進一步指出,在短時間內該公司的GaN相關產品會以滿足高效能的需求為主要目標市場;低成本的設計便不是最適合GaN元件的應用範疇。 GaN助力  磁共振充電功率/距離再提升 GaN元件不僅是在高功率應用領域能有所發揮,更能在無線充電領域大顯身手。由於GaN功率元件具備高開關速度、切換損失等性能優勢,持續為電力電子應用打開更多可能性。其中,基於氮化鎵技術的磁共振(Magnetic Resonance, MR)無線充電,將能使得50W以上無線充電功能更快實現。 交通大學電機工程學系系主任陳科宏(圖3)表示,由於氮化鎵功率元件能夠達到非常快的開關速度,因此也能近一步縮小零組件尺寸與整體體積。氮化鎵材料在中功率至高功率的電源相關應用上皆有很好的效果,在未來10年,氮化鎵功率元件的興起將改變消費者的電子產品使用行為,也將影響相關供應鏈的廠商生態。 圖3 交通大學電機工程學系系主任陳科宏表示,在未來10年氮化鎵功率元件將改變消費者的電子產品使用行為。 陳科宏表示,若無線充電功率要提升至50W以上,基於GaN的磁共振便是目前最佳的解決方案。由AirFuel主導的磁共振無線充電技術,相對於磁感應技術能夠提供更高功率電力,並且能夠同時為多台設備供電。儘管目前依然少見導入磁共振無線充電技術的商用產品,然而該技術依然持續有所進展。 基於GaN的共振式無線充電傳輸系統發射端能夠一次發出70W電力,已能夠滿足筆記型電腦的充電需求;而手機大約能夠接收10W~15W電力,因此,最遠傳輸距離可達30公分,若在5公分距離之內則可以達到快速充電標準。 陳科宏進一步說明,未來基於GaN的共振式無線充電傳輸系統也將會持續提升充電效率、拉長充電距離,並且擴充應用範圍;更將持續以提升方便性以及縮小元件體積為主要的未來演進方向。 另一方面,GaN功率元件不只能使用在共振式無線充電設備,隨著氮化鎵的應用研究增加,成本也正在逐漸壓低,預計在2020年就能看到大量產品開始使用氮化鎵材料。
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瑞薩驅動器系列新品實現高電流DC/DC轉換

瑞薩電子近日宣布推出全新的汽車級100V、4A半橋式N通道MOSFET驅動器系列。ISL784x4系列共有三款產品:ISL78424和ISL78444都有單個三階(Tri-Level)PWM輸入,並用於控制兩個閘極驅動器(Gate Driver),而ISL78434具有雙獨立輸入端,可個別控制高邊驅動器和低邊驅動器。ISL784x4半橋式N-MOSFET驅動器可搭配ISL78224四相雙向控制器,能夠在輕度混合動力車(Mild Hybrid)使用的12V~48V轉換器中,提供高達3kW的功率和百分之95以上的效率。ISL784×4驅動器也非常適用於12V~24V雙向DC/DC轉換器,以及其他高電流的降壓或升壓應用。 ISL784×4驅動器藉著提供獨立的電流源式,以及電流槽式的MOSFET閘極驅動接腳,簡化了驅動大電流MOSFET的設計。這讓設計人員可以輕鬆使用外接的閘極電阻,來調節DC/DC開關節點的迴轉率(包括上升暫態和下降暫態),進而降低電磁干擾(Electromagnetic Interference, EMI)。ISL784x4還提供適應性死區時間控制(Adaptive Dead Time Control),以保證精準的先斷後合式(Break-Before-Make)開關操作,避免在兩個DC/DC轉換器開關同時閉路時,可能發生的貫穿電流。除此之外,ISL78424和ISL78434的適應性死區時間功能,還能夠檢測MOSFET的閘極,消除電壓誤差--為了控制開關節點的迴轉率,外接閘極電阻時,跨電阻的電壓就會引起這個電壓誤差。
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英飛凌推新雙通道隔離閘極驅動器IC系列產品

英飛凌科技股份有限公司近日推出全新雙通道隔離式EiceDRIVER IC系列,適用於高效能電源轉換應用。新款閘極驅動器IC系列產品是高壓PFC與DC/DC級以及伺服器、電信及工業切換模式電源供應器(SMPS)中的同步整流級的理想選擇。其他應用包括48V轉12V DC/DC轉換器、電池與電動車充電站,以及智慧電網與太陽能微型變頻器。 EiceDRIVER系列提供領先業界的精準時序特性,輸入到輸出傳播延遲精度為7ns,通道至通道的精度最高可達3ns,無論是在生產還是溫度範圍內,皆可實現更高水準的電源轉換系統效率。英飛凌CoolMOS與OptiMOS功率MOSFET的整體切換效率也可以透過EiceDRIVER驅動與汲取電流大幅提升 (分別達到最高4A與8A)。 不論是從輸入到輸出,或是在輸出通道之間,該系列強大的整合電氣隔離對於硬切換半橋配置至關重要。此外,整合的增強型輸入至輸出隔離可在需要時提供極為關鍵的電氣安全性。 EiceDRIVER產品系列的低電阻輸出級可將內部功耗降至最低,因此閘極驅動器IC可為功率MOSFET的閘極提供最大功率。另外,關閉功率MOSFET時,低歐姆輸出級可確實將MOSFET閘極電壓保持為零,以避免不必要的寄生導通。
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Power Integrations發布高效率返馳式切換開關IC

Power Integrations近日宣布推出整合了900V功率MOSFET的LinkSwitch-XT2系列離線式切換開關IC。這些大功率IC面向高達8W的高效率隔離和非隔離返馳式電源供應器而設計,因此適用於480 VAC的三相工業電源供應器,以及指定用於主電源電網不穩定的區域、具有頻繁雷擊的熱帶區域或普遍存在高能源振鈴波和突波的任何區域的高品質消費性產品。 900V的LinkSwitch-XT2 IC系列針對高效率進行了最佳化,使設計輕鬆符合能源相關產品(ErP)限制。LinkSwitch-XT2電源供應器在無負載狀況下使用不到30mW的功率,在負載範圍內具有高轉換效率。這使得新裝置成為在主動待機監控無線電或網路介面中花費大量時間的IoT和住家與建築自動化(HBA)系統的理想之選。IC具備可選限電流和完全整合式自動重新啟動功能,可提供短路和開迴路保護。使用頻率抖動功能可將電磁干擾(EMI)降至最低,並且裝置可輕鬆滿足PCB和封裝上的汲極與所有其他接腳之間的高壓安規距離和間隔要求。 資深產品行銷經理Silvestro Fimiani表示,這些切換式功率IC讓三相電表、馬達、工業備用電源供應器、家電和IoT/HBA感測器及促動器的設計人員能夠實現真正的一體式電源供應器,從而滿足任何地方使用者的可靠性預期。例如,為解決印度高品質消費性產品迅速發展的市場而產生的OME面臨著源源不斷的電子損坏和退貨產品,必須予以維修或更換。900V LinkSwitch-XT2切換開關IC提供有效且低成本的防護,並且運作和產品支援成本相應減少。
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ST 600V/3.5A全橋系統級封裝優勢多

意法半導體(STMicroelectronics, ST)新推出之PWD5F60高功率驅動器,是意法半導體高壓有刷直流馬達和單相無刷直流馬達功率驅動器系統封裝產品系列的第二款產品。其在15mm×7mm封裝內整合600V/3.5A MOSFET單相全橋與閘極驅動器,內建二極管、保護功能和兩個比較器。散熱效率更高的系統級封裝相較離散元件減少了60%電路板空間,同時可提升可靠性並簡化設計和封裝。 PWD5F60是為控制工業泵、工業風扇、鼓風機、家電和工廠自動化等系統中具備有刷直流馬達而專門設計的單相全橋模組,適用於採用單相無刷馬達以確保高耐用性、高效能且成本合理的產品設備,同時新款產品在使用電源供應元件上亦兼具成本效益和便利性之優勢。 PWD5F60內部整合導通電阻為1.38Ω的N溝道MOSFET,優異的效能確保其能夠處理中等功率負載。優化的閘極驅動器可提升開關可靠性,降低電磁干擾(EMI),而整合的自舉二極體可高壓啟動,高邊輸入供電而無需外部升壓二極體。 兩個未受限的嵌入式比較器確保模組配置靈活多變,可以輕鬆使用峰值電流控制或過流和過熱保護功能。峰值電流控制配合霍爾效應定位感測器,無需專用MCU即可實現獨立的控制器,進而大幅降低控制電子系統成本。
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功率密度要求持續提升 TI 推GaN新品實現千瓦應用

隨著科技演進,無論是在消費電子、工業自動化或是雲端運算帶來的伺服器,各個領域都在追求更高的功率密度,以達到逐漸提升的電力要求。目前,功率元件以MOSFET為主流,但已有廠商陸續推出氮化鎵(GaN)材料元件,以做到更高的切換頻率與晶片尺寸。德州儀器(TI)日前推出的GaN FET產品系列,更能滿足高達10kW應用。 德州儀器類比IC應用經理蕭進皇表示,GaN元件能操作的切換頻率相對於MOSFET更高,在提升切換頻率後,包含電容等整體晶片體積都將縮小;相比之下,GaN元件設計重量只有MOSFET元件的六分之一。如此一來,不但能達成節省能源、降低成本,在晶片體積縮小之後,亦能提升能放置其他元件的空間。 為因應此趨勢,德州儀器日前推出推出新型600V GaN、50mΩ和70mΩ功率級產品組合,能支援高達10 kW應用。與應用於AC / DC電源供應器、機器人、可再生能源、電網基礎設施、通訊和個人電子的場效應電晶體(FETs)相比,該產品系列能協助工程師打造更小、更高效且更高性能的設計。蕭進皇進一步說明,目前MOSFET元件皆需要在外掛驅動控制,然而該產品將驅動控制納入同一個封裝之中,如此一來便能降低電子電路設計難度,縮短設計者的開發時間。 在未來,持續提升功率密度將是電源設計的主流趨勢。另一方面,將主動和被動零組件整合於電力系統之中,也能更可靠地實限縮小尺寸的目標。GaN元件能夠用應用在個人消費電子、工業馬達驅動、電網基礎設施等不同功率等級的應用之中,功率應用範圍從瓦橫跨到千瓦等級。 德州儀器的GaN FET產品系列擁有整合獨特的功能與保護特性,不僅簡化設計,同時實現更高的系統可靠度與最佳化高壓電源供應的性能,進一步為傳統串接(Cascade)和獨立(Stand-Alone)的GaN FET提供了智慧替代解決方案。透過整合的<100ns電流限制和過熱偵測 (Overtemperature Detection) 功能,此裝置可防止意外的直通事件 (Shoot-Through)與熱失控 (Thermal Runaway)發生,且系統介面訊號提供了自我監測的能力。 然而,由於GaN元件相對成本依然較高,因此蕭進皇進一步指出,在短時間內該公司的GaN相關產品會以滿足高效能的需求為主要目標市場;低成本的設計就不是最適合GaN元件的應用範疇。  
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Maxim發布加密引擎安全認證器IC新品

Maxim Integrated Products近日宣布推出DS28E50 DeepCover安全雜湊演算法3(SHA3-256)安全認證器IC,協助嵌入式系統設計者輕鬆、高效地在其設計中整合業界最先進的增強式加密安全認證。憑藉SHA3-256,DS28E50可實現最新的挑戰-回應(Challenge-Response)安全認證技術,以安全IC方案的形式提供最強的防禦能力,有效防範假冒晶片、非法使用以及其他應用問題,是初級或無加密經驗設計者的理想選擇。   當今的嵌入式系統正在不斷遭受來自駭客的攻擊,且手段越來越複雜。設計者正在致力於防範售後市場的假冒產品,進而保護其產品的完整性;同時增強認證措施,確保設備內的感測器是正品,而非劣質的仿造品。DS28E50為嵌入式系統開發人員提供先進的功能,有效防範假冒晶片、售後市場的仿造和非法使用,廣泛適用於智慧、聯網工業、醫療和消費設備領域。   除了提供業界首款SHA3-256安全認證IC,DS28E50也整合了Maxim的ChipDNA PUF專利技術,有效防止安全晶片上常見的IC級攻擊。ChipDNA技術依賴於基礎MOSFET半導體元件的類比特徵來保護金鑰,而元件的類比特徵是自然隨機產生的。保護DS28E50儲存的所有資料的金鑰僅在需要時產生,並在用完之後立即消失。
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Diodes推新USB連接埠專用高側電源切換器

Diodes近日推出AP22815和AP22615 3A單通道USB連接埠專用高側電源切換器和其他熱拔插產品應用。這些裝置是專門設計用來提供用於熱拔插的敏感電子設備,例如USB周邊裝置或外接儲存裝置。   高度整合的高側切換器提供自動回復的多元連接埠保護,包括過電壓、過電流、短路和過熱等。此外,產品功能還包括控制上升時間和欠壓鎖定,以及放電功能和外部儲存電容器。   以N通道MOSFET和Diodes公司的專利銅柱封裝技術為基礎,可實現極低的導通電阻,電源切換器的寬輸入電壓範圍介於3.0V到5.0V,可調整的受限負載電流最高達4.0A(僅限AP22615)。AP22815/615是低RDS(ON)僅40mΩ,且具備高ESD保護(人體模型 2kV,機械模型200V)的整合式負載開關,適用於各種產品應用,包括筆記型電腦、小筆電、平板電腦、機上盒、USB充電器,和其他消費性電子產品。   高側電源切換器能整合AP22615可以調整的負載電流限制,完全符合USB電力傳輸與快速用途切換的規格。這能確保內部功率電晶體會偵測電軌是否正常運作,並在150µs的時間內回應,進而支援 USB 電源接電端及供電端的熱插拔,而不中斷消費體驗。   兩種裝置都具有啟動(可指定為高態有效或低態有效)和可發出故障訊號的專用旗標輸出。為了因應高負載電容裝置,裝置內建7毫秒的抗尖峰脈衝間隔,避免假觸發。
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ADI升壓控制器新品串聯輸出調整超過200V電壓

Analog Devices(ADI)近日宣布推出Power by Linear LTC7840,其為一款雙相非同步升壓控制器,可驅動兩級外部N通道功率MOSFET。該元件可設定為單通道或雙通道輸出升壓穩壓器,如需提供較高的電壓,則第一個通道的輸出可送入第二個通道的輸入,從而產生超過幾百伏的輸出電壓。LTC7840的典型應用是利用第一個通道將12V輸入電壓提升到48V,第二個通道將48V升壓至240V並提供高達700mA的輸出電流,非常適合汽車、工業和醫療應用。   該控制器可操作於5.5V至60V的輸入電壓範圍,並根據外部元件的選擇來調整輸出電壓。可對多達4個功率等級採用錯相時脈,大幅降低輸入和輸出濾波要求。外部MOSFET以一個固定的頻率(設定範圍為50kH至425kHz)執行切換開關操作,並可同步至一個外部時脈。LTC7840的每一通道並可設定為SEPIC或反馳式拓撲,因而擁有高度彈性。其他特點包括可調最大操作週期、可調最短導通時間,以及峰值電流模式控制下的超載和過壓保護。   該控制器已可現貨供應,可提供兩種耐熱性能增強型28接腳封裝:扁平4mm×5mm QFN和TSSOP封裝。E和I等級元件特適操作於–40°C至125°C操作溫度範圍,而H等級元件的操作溫度範圍為–40°C至150°C。
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英飛凌解決SMPS地電位偏移問題

在開關式電源供應器(SMPS)中,每次導通或截止功率MOSFET的過程中,寄生電感會造成地電位的偏移。這可能導致閘極驅動IC不受控制的切換行為。在極端情況下,可能導致功率MOSFET電氣過載以及SMPS故障。為解決此問題,英飛凌旗下 EiceDRIVER系列推出單通道低側閘極驅動IC 1EDN7550與1EDN8550,具有真正的差分輸入控制,可有效防止功率MOSFET誤觸發。1EDN7550與1EDN8550適用於工業、伺服器及電信SMPS以及無線充電應用、電信DC-DC轉換器,以及電動工具。   EiceDRIVER 1EDN7550與1EDN8550具±70V最高抗靜態接地偏移的能力,在最高±150V的動態接地偏移之下仍可保證安全運作,且毋須切斷接地迴路。由於該款閘極驅動IC具有真正的差分輸入判斷,因此只有兩個輸入之間的電壓差值會對閘極驅動IC的切換行為產生決定性作用。1EDNx550 EiceDRIVER非常適合控制具有Kelvin源極接點的功率MOSFET。這些閘極驅動IC提供非常充足的抗接地偏移能力,不受功率MOSFET的寄生源極電感造成的地電位偏移影響。相較於電氣隔離型閘極驅動IC,這些單通道低側閘極驅動IC具更佳的成本優勢以及節省更多的空間。   此外,1EDNx550系列是具成本效益的解決方案,適用於控制IC(提供控制訊號至閘極驅動IC)到閘極驅動IC之間具有很長的走線距離的應用。這可能是因為產品設計的需求、所選擇的印刷電路板技術,或控制小卡的概念。上述情況的共通點為,寄生地迴路電感是造成控制IC與閘極驅動IC之間發生地電位偏移的原因。1EDNx550系列能夠解決上述挑戰,並可縮短產品開發時間。
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