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宽禁带|功率封装技术的发展,推动宽禁带半导体加速在数据中心能源供应、无线充电和能量收集领域的应用

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宽禁带(WBG)功率器件的进步正在推动碳化硅和氮化镓器件的发展。与传统半导体器件相比,碳化硅和氮化镓器件可在更高的电压和温度下运行,还可以较低的转换损耗实现更快速地转换。新的碳化硅和氮化镓解决方案和进展在以下三个领域应用尤其如此:数据中心、无线充电和能量采集。每个应用领域都以不同方式推动宽禁带功率器件的发展,衍生出各种产品。

半导体企业为数据中心开发基于宽禁带的能源供应解决方案

2010~2020年间,数据中心总的功率消耗预计将达到700亿千瓦。数据中心设计师总是在寻求更好的解决方案帮助提高设计效率,节省能源。作为响应,诸如Transphorm公司、德州仪器公司和Wolfspeed等半导体企业已开发出基于宽禁带的能源供应解决方案。一个例子是Wolfspeed公司开发的2千瓦图腾柱PFC拓扑,用于使用碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)MOSFET的能源供应。该晶体管在数据中心能达到数十个钛标准,同时保持成本可控制。

Wolfspeed为此参考设计选择的图腾柱PFC拓扑结构拥有较低的组件数量,因为它不具备馈电桥式整流器。这种结构拥有较少的组件,具有高功率密度并且可以在相对高的开关频率下运行。该设计包含一对硅二极管,有助于实现低成本,同时仍然达到所需的效率。据称,这种设计包含两个900-V的碳化硅MOSFET,在230V的50%负载下,能够达到98.5%的峰值效率。损失估计值在230V时的估计效率如下:

组件

瓦特100%负载

瓦特50%负载

MOSFET(传导损耗)

6.01

1.57

MOSFET(开关损耗-Rg=10)

7.0

6.03

二极管

8

3.4

主电感

7

3.9

差模电感

1.1

0.856

共模电感

1

0.8

感应电阻

0.74

0.185

总(损耗)

30.85

16.741

效率

98.48%

98.35

目标

94.8%

98.5%

氮化镓技术为无线充电提供更多灵活性

氮化镓技术允许设计者在更广泛的产品中使用无线充电,而无需重新设计天线。WattUp的开发商Energous公司刚刚宣布推出基于GaN的高功率近场WattUp变送器参考设计。这种变送器能够对高达10瓦特能量的设备充电,增加了传送到接收设备的功率,同时还消除了更多种类设备的连接器和充电触点。该解决方案包括基于GaN的5-10W射频接收器集成电路和基于GaN的10-15W射频功率放大器。

Energous公司创始人兼首席技术官Michael Leabman表示:“用于我们WattUp无线充电技术的首款基于GaN的解决方案支持更高的功耗和更高的充电灵活性。我们在WattUp生态系统中开发多个组件的能力使我们能够根据客户需求进行创新。”

另一家利用GaN技术的企业是Solace Power公司。该公司使用名为谐振电容耦合(RC2)的技术。事实上,该公司已演示了使用电容谐振为飞行的无人机(图1)提供电源。该无人机可在移动汽车上的充电垫上方几英寸处充电,从而增加其在空中的总时间并减少与人的交互。在演示过程中,该公司使用EPC公司工作在13.56 MHz的GaN FET。与能够处理相同功率水平的硅器件相比,这些FET比原来的要小五到十倍。

       

图1无人机在不到九分钟的时间内完全充满7.4伏/ 450mAh电池,同时悬停

碳化硅和氮化镓在能量收集领域的应用扩展

能源和半导体领域也意识到氮化镓和碳化硅的许多优点,以及最大限度地利用拥有更好的开关损耗性能的太阳能收集技术的增长机会。例如,英飞凌公司通过为1200 V CoolSiC MOSFET系列开发额外的模块平台和拓扑,扩大了其碳化硅功率模块解决方案组合,包括全碳化硅模块和两个半桥拓扑模块(图2)。

图2 半桥拓扑结构中的62 mm模块具有更高的功率,每个开关功能的RDS(ON)为6mΩ

由于扩展的稳健性,英飞凌公司正在利用较低的时间故障(FIT)和短路能力。最初,该产品将支持光伏逆变器、电池充电和充电/存储系统等应用。

市场上已经采用氮化镓和碳化硅器件。然而,在该领域的研究和开发使得未来我们将看到从硅晶片到WBG基板的更大转变。例如,美国能源部为16个项目提供了3200万美元的资金,作为两个新的先期研究计划局-能源(ARPA-E)计划的一部分:增强数据中心的能效高效的光波集成技术支持网络(ENLITENED)和实现开关的功率氮掺杂创新提供器件(PNDIODES)。

在获得了2500万美元资助后,ENLITENED计划将通过部署新的网络设计,寻求提高数据中心的能源效率。该网络设计可通过集成光子技术实现。类似地,ARPA-E的PNDIODES计划将花费大约690万美元来推动宽禁带半导体、氮化镓及其合金中的选择性区域掺杂工艺中的进展。

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