SiC FET的起源及其向著完美開關發展的曆程
發布時間:2022-07-01 來源:UnitedSiC 責任編輯:wenwei
【導讀】使用寬帶隙半導體作為高頻開關為實現更高的功率轉換效率提供了有力支持。一個示例是,碳化矽開關可以實施為SiC MOSFET或以共源共柵結構實施為SiC FET。本白皮書追溯了SiC FET的起源和發展,直至最新一代產品,並將其性能與替代技術進行了比較。
白皮書
dangran,jiejinwanmeidedianzikaiguanyijingcunzaihenchangyiduanshijianle,danshiwomenzheliyaotandebushijixiekaiguan。xiandaigonglvzhuanhuanyilaideshibandaotikaiguan,tamenzuihaozaidakaishimeiyoudianzu,zaiguanbishidianzuhenaishoudianyawuxianda,bingnengzaijiandanqudongxiayirenyikuaidesuduzaikaiguanzhuangtaijianqiehuanqiemeiyoushunshigonglvsunhao。
在這個重視能源與成本的世界中,這些特征可以讓電源、逆變器、電池充電器、電機驅動等器件實現更高的功率轉換效率。隨之而來的好處是設備體積、重(zhong)量(liang)和(he)故(gu)障(zhang)率(lv)的(de)下(xia)降(jiang),而(er)且(qie)采(cai)購(gou)成(cheng)本(ben)和(he)生(sheng)命(ming)周(zhou)期(qi)成(cheng)本(ben)也(ye)會(hui)降(jiang)低(di)。有(you)時(shi)候(hou),僅(jin)僅(jin)突(tu)破(po)一(yi)個(ge)效(xiao)率(lv)閾(yu)值(zhi)就(jiu)能(neng)打(da)開(kai)一(yi)個(ge)全(quan)新(xin)的(de)應(ying)用(yong)領(ling)域(yu)。例(li)如(ru),如(ru)果(guo)電(dian)機(ji)驅(qu)動(dong)極(ji)為(wei)耗(hao)能(neng),並(bing)因(yin)此(ci)又(you)大(da)又(you)重(zhong),從(cong)而(er)需(xu)要(yao)更(geng)多(duo)電(dian)池(chi)電(dian)量(liang),這(zhe)又(you)意(yi)味(wei)著(zhe)重(zhong)量(liang)提(ti)升(sheng)和(he)單(dan)次(ci)充(chong)電(dian)行(xing)駛(shi)裏(li)程(cheng)縮(suo)短(duan),那(na)麼(me)電(dian)動(dong)車(che)將(jiang)難(nan)以(yi)實(shi)現(xian)。從(cong)近(jin)75年前的肖克利、巴丁和布拉頓時代起,工程師們就不斷努力改進半導體開關,使其趨近於理想開關。
向著理想開關前進的曆程
實際上,首個功率轉換應用中使用的是機械開關,機械“振動器”一開始是絕緣直流轉換或直流電源升壓裝置的電動發電機的唯一選擇。然而,大約在晶體管發明十年後,首個“開關模式”的電源(SMPS)出現了,從那時起,設計師就必須處理可用的半導體技術了。雖然1930年Julius Edgar Lilienfeld就提出了場效應晶體管(FET)原理並取得了專利,但是當時無法製造FET。最初采用鍺的雙極型晶體管占領了早期的SMPS電路領域。
qichu,shuangjixingjingtiguandeedingdianyayouxian,zaiguantaixialoudianda,kaiguanguochenghuanmanqiesunhaoda,qiejijiqudongfuza。xianzai,gonglvshuangjijingtiguanzengyidi,kenengxuyaofangdajijidianliu。jijizhongcunchudedianheshiyigedawenti,xianzhileguanbishijianhexiaolv,yincihaiyaocaiyongjishulaijingquedingzhijijiqudongbingqiecaiyong“貝卡鉗位”等技術來限製電荷,這種技術會以帶來一定的導電損耗為代價實現較低的動態損耗。
在70年代和80年代,矽 MOSFET可以用於大功率,當時采用的是垂直導電路徑和平麵柵型結構,在90年代變為采用“溝槽”結構。然而,可實現的額定電壓和導通電阻限製了在更高功率下的使用。70年代晚期有了重大進步,出現了絕緣柵雙極晶體管(IGBT),它將類似MOSFET的柵極驅動與類似雙極的導電路徑相結合,實現了輕鬆柵極驅動和固定飽和電壓的優勢,因而MOSFET中的名義功耗的增加會與電流而非電流平方成正比。然而,IGBT也有自己的問題,它有閂住的傾向,這會造成災難性後果。關閉時的“尾電流”也會帶來相對較高的動態損耗,並限製運行頻率。在現代IGBT中(zhong),閂(shuan)住(zhu)問(wen)題(ti)現(xian)已(yi)得(de)到(dao)解(jie)決(jue),尾(wei)電(dian)流(liu)也(ye)已(yi)盡(jin)量(liang)降(jiang)低(di),同(tong)時(shi)額(e)定(ding)電(dian)流(liu)和(he)電(dian)壓(ya)大(da)幅(fu)提(ti)高(gao),因(yin)而(er)在(zai)非(fei)常(chang)高(gao)的(de)功(gong)率(lv)轉(zhuan)換(huan)中(zhong)也(ye)常(chang)常(chang)應(ying)用(yong)這(zhe)些(xie)器(qi)件(jian)。不(bu)過(guo),由(you)於(yu)動(dong)態(tai)損(sun)耗(hao),開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)仍(reng)被(bei)限(xian)製(zhi)在(zai)最(zui)高(gao)數(shu)十(shi)kHz。
高開關頻率是實現更小的磁性元件以及整體更小更輕並有更高性能控製回路的功率轉換產品的關鍵,因此,隨著MOSFET導通電阻和額定電壓的提高,它們得到了越來越廣的應用,頻率也提高到了數百kHz,“超結”類型成為前沿技術。不過,矽的擊穿電壓是一個限製因素,使得在給定運行電壓及其導致的高導通電阻(RDS)值下,塊體材料要達到一個最小厚度。將許多單元並聯可以降低該值,但是會提高總晶粒麵積。該效應可以通過單位麵積導通電阻這個“品質因數”(也就是RDSA)來量化,它促使人們對於寬帶隙材料碳化矽(SiC)和氮化镓(GaN)的興趣激增,這二者的固有擊穿電壓較高,並具有電子遷移率較高、飽和速度較高、承溫能力高等有利特點,SiC還具有較好的導熱係數。圖1顯示的是矽、SiC和GaN材料的標誌性特征的比較。
【圖1. Si、SiC和GaN材料的特征】
SiC器件的早期發展
SiC器件的發展比GaN早十年,最初預計具有更廣泛的適用性,可用於更高的額定電壓和功率。SiC開關的一個自然起點是考慮開發增強型常關MOSFET,以實現與現有Si MOSFET設計和製造技術的兼容。與所有新技術一樣,初期存在困難,有些困難可以預測,有些不可以,這些困難延遲了器件的商業化進程。
SiC過去和現在都存在的一個固有特性是晶格缺陷的數量比矽大,這會導致與SiC溝道的柵氧化層接麵處的電子遷移率低,進而導致導通電阻相對較高。為了成本效益,SiC晶圓的體積必須盡可能大,而在6英寸行業標準下很難維持低缺陷率和晶圓平麵度。SiC MOSFET還表現出了柵極閾值不穩定性並伴有顯著遲滯,從而使柵極驅動設計難以實現優秀的效率和可靠性。雖然最新的SiC MOSFET有所改善,而且理論上可以使用單極0-15V驅動,但是在實際中,通常使用-5V柵極驅動電壓實現可靠運行。15V也不能實現非常低的導通電阻,因此通常使用18V實現最佳效率,而代價是降低短路耐受能力,且距離通常為19或20Vdezuidajueduizhideyuduxiajiang。yijingjiejuedeqitawentiyouduanluheguoyashijianhouzhayanghuacengjiangji,yijiyouyuqijianbisuozhuangtaixialouzhachangqiangdugaodaozhidezhayanghuacengdianchangyingliguoda。
2010年左右,使用SiC MOSFEThaiyudaolemeiyouyuliaodaodekunnan,jidimianweicuo,yejiushijinggezhongdedakuaiquexian,shishishangquexianhuizaiyunxingyinglidezuoyongxiabiandaheyidong。tierjiguanhuicongyuanjidaodiandaolouji,yincihuishengchengdianzikongxuezaiti,dangdianzikongxuezaitizhongzushi,tamenhuiyouzugoudenengliangyidonghefangdaquexian。zheshiSiC的較高帶隙能量值導致的結果,且可能會導致降級,即產生較高的漏電流和導通電阻,而這又會導致較高的損耗和故障。當今的SiC MOSFET已經有了大幅改進,製造方法和缺陷篩查也有了進步,但仍需努力提高晶粒的產量和成本效益、封裝的性能,以實現低電感和低熱阻。
備用方法SiC FET
寬帶隙技術誕生後,雖然許多半導體製造商采取了使用現有生產線開發SiC MOSFET的路線,但是還有一些從“白紙”開始,考慮其他選擇。采用SiC實施的最簡單的開關是JFET結構開關,它沒有柵氧化層,是單極導電器件,因此不存在MOSFETdeyixiexianzhi。buguogaiqijiancunzaiyigezhongdaquexian,tashichangkaixingqijian,zhajiqudongdianyaweiling,xuyaofudequdongdianyacainengguanbi。zhewulunruhedoubufangbian,zaizuihuaideqingkuangxiahuidaozhiyingyongguzhangfengxian,youqishizaixitongdakai/關閉等瞬態情況下。SiC FET解決了該問題,它最初是在90年代提出的,在2010年前後開發出來。它將SiC JFET與常關型的矽MOSFET結合,保留了JFET相對MOSFET的優勢。圖2比較了SiC FET結構(右)與一般SiC MOSFET示意圖(左)。
【圖2. SiC MOSFET(左)與SiC FET(右)的構造】
SiC FET采cai用yong共gong源yuan共gong柵zha結jie構gou。較jiao為wei成cheng熟shu的de設she計ji師shi可ke能neng會hui熟shu悉xi這zhe種zhong結jie構gou,他ta們men見jian過guo這zhe種zhong結jie構gou最zui初chu的de實shi施shi形xing式shi,即ji旨zhi在zai降jiang低di音yin頻pin放fang大da器qi內nei噪zao音yin的de電dian子zi管guan組zu合he。多duo年nian來lai,已yi經jing有you了le多duo種zhong形xing式shi的de共gong源yuan共gong柵zha或huo“發射極開關”,它們將雙極型晶體管或BJT與MOSFET結(jie)合(he),具(ju)有(you)低(di)壓(ya)開(kai)關(guan)控(kong)製(zhi)高(gao)壓(ya)開(kai)關(guan)的(de)一(yi)般(ban)屬(shu)性(xing),並(bing)在(zai)高(gao)額(e)定(ding)電(dian)壓(ya)與(yu)輕(qing)鬆(song)驅(qu)動(dong)之(zhi)間(jian)達(da)成(cheng)了(le)良(liang)好(hao)平(ping)衡(heng)。然(ran)而(er),由(you)於(yu)顯(xian)著(zhu)的(de)基(ji)極(ji)驅(qu)動(dong)電(dian)流(liu)必(bi)要(yao)性(xing)和(he)緩(huan)慢(man)的(de)開(kai)關(guan)速(su)度(du),采(cai)用(yong)BJT的電路並不受高壓應用的青睞。SiC共源共柵,即“SiC FET”解決了這些問題。
從圖3顯示的SiC FET示意圖中可見,當Si-MOSFET通過柵極打開時,JFET源極和柵極會有效短接,然後JFET會導電。此時,電流可以經過JFET和MOSFET漏源溝道,並由JFET修正導電損耗,因為與高壓SiC JFET相比,低壓Si-MOSFET導通電阻可能非常低。當Si-MOSFET關閉時,JFET源極電壓升高至某個點,使得柵源電壓超過負幾伏的閾值,然後JFET關閉。由於器件電容比,跨Si-MOSFET的電壓會動態維持在低位。
【圖3. SiC FET示意圖】
與SiC MOSFET相比,SiC FET在電氣性能和實際使用中都有許多優勢。作為開關,導通電阻是一個重要因素,而SiC JFET固有的溝道內電子遷移率比SiC MOSFET好得多,溝道密度也較高。這二者的結合意味著在給定晶粒麵積下,SiC FET的導通電阻是SiC MOSFET的四分之一至二分之一,或者反過來,在導通電阻相同時,每個晶圓產出的晶粒最多可以達到後者的四倍。與矽超結MOSFET相比,增加的晶粒數最多可以達到13倍。鑒於碳化矽這種材料很可能一直都會比矽貴,每個晶圓產出的碎晶粒數的增加對於SiC FET技術的成功至關重要。正如上文討論的,晶粒可行性的衡量指標是品質因數RDSA。
表1中顯示的另一個品質因數是RDS*EOSS,也ye即ji導dao通tong電dian阻zu和he器qi件jian輸shu出chu開kai關guan能neng量liang之zhi間jian的de權quan衡heng,輸shu出chu開kai關guan能neng量liang是shi輸shu出chu電dian容rong帶dai來lai的de。這zhe個ge指zhi標biao很hen有you用yong,它ta表biao明ming可ke以yi通tong過guo在zai晶jing粒li中zhong並bing聯lian更geng多duo單dan元yuan來lai降jiang低di導dao通tong電dian阻zu和he導dao電dian損sun耗hao,但dan除chu了le增zeng加jia麵mian積ji,這zhe還hai會hui直zhi接jie提ti高gao電dian容rong進jin而er導dao致zhiEOSS提高,結果是增加由頻率決定的開關損耗。因此,RDS*EOSS值低是有利的。
SiC FET的柵極就是共源共柵結構中的Si MOSFET的柵極。它的閾值約為5V,穩定,基本無遲滯,因此能以12V或15V輕鬆驅動,實現全麵增強和低RDSON,且距離通常的25V絕對最大值有很大的裕度。名義上,輕鬆的SiC FET柵極驅動兼容矽MOSFET電平,甚至是IGBT電平,從而讓現有產品設計升級可以實現反向兼容。在實踐中,SiC MOSFET單元需要定製驅動結構以實現最佳效率和足夠的柵極過壓保護,GaN HEMT單元無疑也是如此。
由於器件尺寸小以及共源共柵結構中Si MOSFET的絕緣效應,SiC FET幾乎沒有柵漏或“米勒”電容Crss,因而能實現極快的開關。輸出電容COSS以及相關的開關能量EOSS都低,如表1所述,這還會導致快速開關和非常小的損耗。邊緣速率也很快,以至於在實際電路中,SiC FET必(bi)須(xu)放(fang)緩(huan),以(yi)限(xian)製(zhi)電(dian)壓(ya)過(guo)衝(chong)和(he)電(dian)磁(ci)幹(gan)擾(rao)。這(zhe)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)添(tian)加(jia)柵(zha)極(ji)電(dian)阻(zu)實(shi)現(xian),但(dan)是(shi)可(ke)能(neng)會(hui)導(dao)致(zhi)在(zai)高(gao)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)下(xia)出(chu)現(xian)無(wu)法(fa)接(jie)受(shou)的(de)控(kong)製(zhi)延(yan)遲(chi),因(yin)此(ci)簡(jian)單(dan)的(de)RC緩衝電路常常是較好解決方案。由於通常采用電容是COSS 3倍左右的電容器,串聯電阻中的耗散非常小。圖4顯示了常見SiC FET器件電容及其漏極電壓處於閉鎖狀態的變種。Ciss = CGS + CGD,(CDS短接),Crss = CGD,Coss = CDS + CGD。
【圖4. SiC FET器件電容】
SiC FET“體二極管”
在功率轉換器中,完美開關應該能以低損耗向兩個方向導電。交流電動機和有電感負載的轉換器等電路中也確實有這樣的要求,稱為“第三象限”運行。IGBT無法滿足此要求,並且需要並聯二極管,而以矽和SiC為材料的MOSFET和JFET可以在柵極的控製下通過溝道向正反任何一個方向導電。MOSFET還有JFET所缺少的固有體二極管,在器件溝道通過柵極打開以允許反向電流前的“死區時間”內,該體二極管通過在有電感負載的硬開關轉換器中“換向”來自動導電。此導電會存儲電荷Qrr,zaitierjiguansuihoufanxiangpianyashiyouhuihuifugaidianhe,ercicaozuohuidailaixianzhudegonglvhaosanfengzhi,suizhepinlvzengjia,gaifengzhirangpingjunzhiyuelaiyuegao,congerjiangdilexiaolv。caiyongguiMOSFET時,該效應非常嚴重,以至於它們實際上無法用於在連續導電模式(CCM)下運行的廣受歡迎的圖騰柱PFC級等部分電路。SiC MOSFET的Qrr值比矽好十倍,但是還是SiC FET比較好,因為SiC FET的器件輸出電容較低且低壓MOSFET中存儲的電荷極小。比較結果因器件的電壓等級而異,但是圖5顯示的是SiC FET和類似的矽超結MOSFET的典型反向恢複圖。
【圖5. SiC FET共源共柵的反向恢複電荷是矽超結MOSFET的一百分之一】
雖然SiC MOSFET和GaNqijiandefanxianghuifusunhaozugoudihuozhegenbenmeiyou,danshifanxiangdaodiandeyajiangshilingwaiyihuishi。zhekenengzaisiqushijianneizaigonglvzhuanhuanqizhongzaochengxianzhusunhao。guichaojieMOSFET會帶來通常為1V左右的二極管壓降,而SiC MOSFET則差很多,體二極管的壓降會輕鬆達到4V。在第三象限運行中,GaN HEMT單元的壓降Vsd是I*R溝道電壓與柵極閾值電壓減去柵源電壓之和,即Vsd = (Vth-Vgs)+(Isd*Ron)。
GaN的柵極閾值通常為1.5V,因此在大電流下,總壓降可能會很高。如果柵極驅動電壓為負以實現關閉,這很常見,則此電壓Vgs會增加到源漏壓降中,導致若幹伏的Vsd,這比其他技術差很多。在從源極導電到漏極的過程中,SiC FET的溝道電阻會產生I*R壓降,類似於GaN器件,但是壓降增加值僅為跨共源共柵的低壓Si MOSFET的體二極管的電壓,該值相對較低。最終的正向電壓通常約為1.5V,比SiC MOSFET或GaN強。
證明SiC FET的可靠性
寬帶隙開關很堅固,尤其是因為它有固有高承溫和高擊穿電壓能力,SiC FET的一個特別優勢是沒有SiC MOSFET中存在的SiC柵氧化層,該柵氧化層存在因高電場而降級的問題。共源共柵結構中的Si-MOSFET是一種堅固的低壓器件,有高閾值電壓和厚柵氧化層,還受到內置穩壓鉗位電路的保護。在實際應用中,SiC FET表現得非常可靠,其器件現在通常都能達到汽車AEC-Q額定值。還有一個重要考慮事項是在意外應力事件中的穩定性,如在過壓和短路事件中。SiC FET有非常強大的雪崩能力,這是通過JFET漏柵擊穿實現的。通過圖3中Rg的最終電流會讓電壓降低,從而打開JFET並限製過壓。Si MOSFET現在會雪崩,但是其雪崩高度可控,因為在每個單元的製造中都包括了雪崩保護二極管,且雪崩耗散的功率很少。SiC MOSFET還有雪崩額定值,但是GaN HEMT單元沒有,這使得製造商將器件的額定電壓定得較低,以便在運行電壓和破壞性的擊穿電壓之間留出充足的裕度。
SiC FET還具備良好的短路電流特征,在大電流下,跨溝道的壓降梯度會造成自然“夾止”效應,以限製電流。短路電流不受柵極電壓影響,這與MOSFET和IGBT不同,而SiC FET溝道的導通電阻正溫度係數還有助於降低極限電流和跨晶粒的各個單元傳播應力。該效應始終如一,以至於SiC FET可用作線性電路中的精確限流器件。汽車應用中的一個典型測試是讓器件經受短路電流至少5µs,而圖6表明750V SiC FET可經受應力8µs而不降級。圖7顯示的是在采用1200V額定值的SiC FET時,導通電阻隨溫度上升,從而將短路電流降低到最終值的效應,這基本不受初始結溫影響。
【圖6. SiC FET經受來自400V總線的短路應力8µs】
【圖7. SiC FET短路電流不受初始結溫影響】
為了維持可靠性,應該盡量減小封裝中的SiC FET的溫度上升和梯度,而在這裏,SiC的導熱係數是矽或GaN的3倍以上是一項優勢。最新器件還使用銀燒結技術進行晶粒連接,而非焊接,這將接麵的導熱係數提高到了6倍,從而維持了低結溫和高可靠性。
其他SiC FET應用
SiC FET天然適用於高效功率轉換器,最高額定值為1700V,可用於典型的工業三相應用。然而,通過在起控製作用的Si MOSFET上“堆疊”SiC JFET可輕鬆推廣共源共柵原理(圖8)。現已采用該原理開發出了額定值為40kV的模塊。
【圖8. 堆疊式共源共柵原理可用於額定值高達數十千伏的高壓中】
如上所述,SiC JFET具有飽和電流幾乎不隨柵源和漏極電壓而變的特性,這在電路保護應用中是一個優勢,例如限流器或斷路器。圖9顯示的是使用SiC FET共源共柵結構的自偏壓斷路器概念,這是一個真正的“雙端子”結構,沒有外部輔助電源軌和內部直流轉換器。
【圖9. 雙端子自偏壓斷路器概念】
性能和值的改善曆程
SiC FET隨著一代代技術的發展而進步,“第四代”是最新一代技術,取得了許多進步,包括可用的電壓範圍、能獲得更好的導通電阻的單元密度和能改進熱性能的燒結式晶粒連接方式。現已采用“基質減薄”技術,因為溝道電阻非常低,以至於通過基質本身的導電損耗也變成一個限製因素。器件也在不斷改進,尤其是降低了輸出電容COSS。這能減少硬開關拓撲中的損耗,例如連續導電模式中圖騰柱PFC,還支持軟開關諧振電路提高運行頻率,如LLC或PSFB電路。現在的開關邊緣速率非常快,以至於器件分為“超快”和故意降速的“快速”兩種,以用於邊緣速率對性能不很重要但是會導致電磁幹擾和擊穿問題的應用,如電機驅動。
與第一代SiC FET相比,封裝也有所進步,第一代將Si MOSFET和SiC FET晶粒並排布置,並以絲焊連接。這種進步帶來了靈活性,例如采用TO-247封裝,但是為實現更低的成本和更高的性能,現在常見的是“堆疊的”jinglibuzhi,keyongjiaodadejinglishixiandadianliu,youqishidangzaixiaoqiaodemokuaizhongbinglianqijianshi。hanjieshijinglilianjiefangfayijingbeiyinshaojiequdai,yishixiangenghaoderexingneng。TO-220、TO-247和D2PAK封裝仍廣受歡迎,因為它們支持改造SiC FET使其適合較早的設計,甚至是使用IGBT的設計。這些封裝的四引腳版本采用“開爾文”源極連接,可緩解源極引腳電感幹擾柵極驅動回路所造成的問題。
除此之外,由於其電氣性能,SiC FET的采用價值在不斷升高,同時,由於不斷提升產量和向8英寸晶圓發展,SiC FET還擁有了降低成本的方案。
SiC FET是引人矚目的解決方案
隨著最新一代SiC FET的誕生,我們現在又向著理想開關邁進了一步。導電損耗和動態損耗變得前所未有的低,使得高頻功率轉換級的能效達到99%+,並伴隨相應的能量節省、體積減小和重量減輕。設計師定義的“理想”zebaohangengduohanyi,tamenhaixiwangqijiannengqingsongqudong,caiyongfangbiandefengzhuang,youwendingtexing,zaigezhongyunxingtiaojianheguzhangzhuangtaixiayunxing。yucitongshi,shebeizuizhongyonghuzexiwangzuizhongchanpinkekao,zhenggeshengmingzhouqidechengbenbijiaozaodejishushishiyoushizhixingjinbu。UnitedSiC提供的SiC FET實現了他們的願望,該係列器件的額定電壓從650V到1700V不等,導通電阻降低至7毫歐。UnitedSiC還提供了 FET JET calculator作為設計輔助工具,方便快速為一係列功率轉換拓撲選擇器件和預測任何器件在這些拓撲中的性能,包括PFC級拓撲和絕緣/非絕緣的直流轉換器拓撲。
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