قرأت مؤخرًا مقالًا للبروفيسور تشين يونغ تشن من جامعة لياونينغ للتكنولوجيا، "هل المكثف الإلكتروليتي لـ GaN FET مجرد وسيلة للتحايل؟" هناك الكثير من المشاعر، لذلك ظهر المكثف الإلكتروليتي لنتريد الغاليوم (GaN)FET (ترانزستور التأثير الميداني). بصرف النظر عن حجمه المنخفض، لا يمكن تقليل محاثته الطفيلية بشكل كبير عندما لا تتغير عملية التصنيع بشكل كبير، وله خصائص محاثة عند تردد التبديل العالي، مع توافقيات أعلى وفيرة. ولذلك، مثل هذا مكثف كهربائيا غير ضروري.

+وفي الواقع، في لحظة تكرار جيل جديد من التقنيات المبتكرة، سيكون هناك دائمًا الطين والرمل. ومع ذلك، مع تطور تكنولوجيا الدعم المحيطي للتكنولوجيا الجديدة، سيكون دورها أكثر أهمية، مثل أجهزة طاقة نيتريد الغاليوم. دعونا نلقي نظرة على ما قاله كبار صانعي القهوة في الصناعة عن نيتريد الغاليوم مؤخرًا، وما هي الدروس التي يمكن أن يقدموها لنا؟

أصبح GaN محفزًا للطاقة 5G.

وقال ستيفن أوليفر، نائب رئيس التسويق المؤسسي وعلاقات المستثمرين في شركة Navitas Semiconductor: "إن ظهور نيتريد الغاليوم سيلبي طلب 5G، ويحقق طوبولوجيا جديدة، ويغير الشحن السريع تمامًا".

وفقًا للبيانات الصادرة عن GSMArena، منذ عام 2010، زاد متوسط ​​حجم الشاشة وسعة البطارية لمنصات الهواتف المحمولة الجديدة مثل Apple iPhone 12 وXiaomi Mi11 وSamsung S21 بأكثر من ثلاث مرات. من غير المقبول استخدام شواحن تجارية بطيئة تعتمد على السيليكون بقدرة 5 وات أو 20 وات لإطالة وقت الشحن، لذلك هناك حاجة إلى المزيد من الطاقة.

وكما تظهر طوبولوجيا التردد المنخفض التقليدية، فإن الحصول على المزيد من الطاقة من شاحن السيليكون يعني حجمًا أكبر ووزنًا أثقل وتكلفة أعلى، كما أن تصميم كثافة الطاقة والكثافة الحرارية يمثلان اختناقات.

وفي غضون 10 سنوات، زاد حجم شاشة الهواتف الذكية وسعة بطاريةها بأكثر من 3 مرات.

وقال أوليفر إن زيادة شاشة الهاتف الذكي والبطارية ووظائف الجيل الخامس، بالإضافة إلى تحسين معالجة البيانات ومعدل النقل والسعة، جعلت الناس ينتبهون إلى سرعة الشحن وحجم محول السفر ووزنه وتكلفته. وفي الوقت نفسه، فإن طرح منصة شحن واحدة ومرنة (الأجهزة والبرامج)، أي موصل USB-C (USB-C) أو مصدر الطاقة القابل للبرمجة (PPS) مع نقل الطاقة (USB-PD)، يعني أن المستهلكين لا تعد تعتمد على منتجات الطاقة التي تقدمها OEM.

وهو يعتقد أن مفتاح تحسين كثافة الطاقة هو زيادة تردد التبديل وتقليل المكونات السلبية مثل المحولات ومرشحات EMI والسعة الكبيرة ومكثفات الإخراج. في وقت مبكر من عام 1996، تم اقتراح طوبولوجيا عالية السرعة مثل Active Clamped Flyback (ACF) من قبل المجتمع الأكاديمي، ولكن تم إحباطها بسبب ضعف المقاومة وأداء التبديل وتعقيد السيليكون ونقص التحكم الأمثل في IC.

في بداية عام 2018، وضع إدخال GaN power IC حدًا لهذا الوضع، الأمر الذي لم يجعل ACF ممكنًا تجاريًا فحسب، بل جعل أيضًا الشحن المرتد شبه الرنان عالي التردد لشاحن الهاتف الذكي، بالإضافة إلى CrCM (وضع التوصيل الحرج) ) تعزيز طوبولوجيا PFC (تصحيح عامل الطاقة)، ​​وLLC عالي السرعة (وحدة التحكم الرنانة) وعمود الطوطم CrCM المتقدم PFC لأنظمة الطاقة الأعلى مثل أجهزة الكمبيوتر المحمولة المخصصة للألعاب وأجهزة الكمبيوتر المدمجة وأجهزة التلفزيون وإمدادات طاقة وحدة الإرسال 5G المجدية تجاريًا.

تُدمج دائرة GaN للطاقة المتكاملة ترانزستور تأثير المجال (FET) من GaN ومحرك GaN، بالإضافة إلى التحكم والحماية في رقاقة واحدة. تتميز دوائر GaNFast® المتكاملة لإمدادات الطاقة بسهولة الاستخدام، وسرعة وأداء عالٍ، وهي مكونات إمداد طاقة رقمية عالية الأداء. ولأن دائرة تشغيل البوابة لا تحتوي على أي معاوقة تقريبًا، فإن الفقدان يكاد يكون معدومًا عند إيقاف تشغيلها بعد الدمج. بالإضافة إلى ذلك، يمكن التحكم في أداء الفتح وتخصيصه وفقًا لمتطلبات التطبيق المحددة.

ما هو التأثير؟ يعمل GaN power IC بشكل أسرع 20 مرة وأعلى 3 مرات من تصميم السيليكون التقليدي، وقد تم استخدامه من قبل مصنعي المعدات الأصلية مثل Dell وLenovo وXiaomi لشحن الهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة بسرعة. كما يمكن رؤيته من شاحن OPPO Mini SuperVOOC Cookie Quick Charger بقدرة 50 واط، فإن طوبولوجيا GaN عالية السرعة تقضي على المكونات السلبية وتقلل من حجم الشاحن. مع وحدة التحكم TI UCC28782 وزوج من دوائر الطاقة GaNFast ذات التكوين نصف الجسر، يتم تحقيق ارتداد المشبك النشط عالي الكفاءة مع سرعة أسرع 10 مرات.

اختبار في ظل الطلب القاسي في السوق

图源 |网络

قال رون بار، نائب رئيس الجودة والموثوقية في Transphorm: "تُظهر اختبارات الإجهاد الدقيقة للجهد ودرجة الحرارة أن أجهزة طاقة GaN تتمتع بموثوقية عالية تتطلبها أسواق السيارات والأسواق الصناعية".

إن مزايا ترانزستورات MOSFET ذات فجوة النطاق العريض (WBG) المصنوعة من نيتريد الغاليوم (GaN) تجعلها تلعب دورًا متزايد الأهمية في التطبيقات الصعبة، مثل أنظمة الطاقة الفرعية للسيارات وإمدادات الطاقة لمراكز البيانات. تتميز هذه التطبيقات بظروف عمل صعبة، ولا يمكن تحمل الأعطال بسبب تكاليف ضمان السيارات أو التكاليف المرتفعة المتعلقة بموثوقية مراكز البيانات. عند اختيار أجهزة الطاقة، يجب على مهندسي التصميم التأكد من موثوقيتها وقوتها ومتانتها.

أخذ GaN HEMT (ترانزستور التنقل الإلكتروني العالي) TP65H035WSQA المصمم بواسطة Transphorm ثنائي الشريحة عادة كمثال، يتم توصيل GaN HEMT والسيليكون FET منخفض الجهد عادة في سلسلة لتشكيل هيكل جهاز cascode.

رمز Cascode وبنية تركيبة جهاز Cascode

يتم تعبئة الجهاز في TO-247 ويتوافق مع معيار AEC-Q101 عند 175 درجة مئوية. عند تقييم موثوقية المنتج، يحتاج مهندسو التصميم إلى أربعة "مجالات" من معلومات/بيانات الموثوقية لتحديد ما إذا كان الجهاز مناسبًا للتطبيق، بما في ذلك: شهادة المنتج؛ اختبار الحياة المتسارع للغاية؛ اختبار الفشل المبكر للحياة؛ الموثوقية الميدانية.

شكرا جزيلا

تعتمد شهادة المنتج بشكل رئيسي على معيارين شائعين في هذا المجال. معيار JEDEC JESD 47 مناسب للأجهزة التجارية، ومعيار AEC-Q101 الأكثر صرامة مناسب لأجهزة قياس المركبات. يخضع كل معيار لسلسلة من الاختبارات التي يجب أن تجتازها المنتجات، مثل دورة درجة الحرارة، والانحياز العكسي لدرجات الحرارة العالية، وانحياز الشبكة لدرجات الحرارة العالية، وغيرها، حتى تُعتبر هذه المنتجات مؤهلة لمعايير JEDEC أو Q101.

أفضل ما في الأمر

يعد اختبار الحياة المتسارع للغاية (HALT) طريقة محددة جيدًا، أي أنه يتم تطبيق الضغط على الجهاز بشرط أن يتجاوز أحيانًا حد ورقة البيانات الخاصة به حتى يفشل الجهاز. وفي الوقت نفسه، يتم جمع البيانات حول وقت الفشل (TTF)، بحيث يمكن تطبيق نموذج مناسب للتنبؤ بالعمر الدائم (وتسمى أيضًا الحياة المتأصلة).

في ظل التحيز العكسي، تم اختبار مجموعة من الأجهزة ذات الجهد المقنن 650 فولت مع الفولتية بين 1050 فولت و1150 فولت في حالة إيقاف التشغيل حتى تعطلت معظم الأجهزة. ثم احسب متوسط ​​وقت الفشل في ظل كل مجموعة من الشروط.

图源 | الحافة

وبطريقة مماثلة، يجب اختبار الجهاز بحثًا عن الفشل عند ثلاث درجات حرارة مختلفة. يتم الحصول على ثلاثة فولتات مختلفة وثلاث درجات حرارة مختلفة في ظل ظروف الاختبار المتسارعة. الآن، يتم تسوية وقت فشل كل اختبار في ظل مجموعة من شروط الاستخدام، والتي عادة ما تكون مستمدة من ملخص مهمة التطبيق. في المثال، تم تحديد مجموعة من الظروف القاسية لحساب عمر جهاز 650 فولت 175 درجة مئوية مع دورة تشغيل 100%.

يمكن دمج جميع بيانات الاختبار في نموذج يسمى "الرسم البياني للاستخدام". يوضح هذا الرسم البياني احتمالية الفشل المرسومة وفقًا لوقت الفشل في ظل ظروف الاستخدام.

الممارسة الشائعة هي تحديد عمر الجهاز عندما يكون احتمال الفشل 100PPM. في هذا المثال، تبلغ 106 ساعة من التشغيل المتواصل لمدة 100 عام.

早期失效试验

يتم استخدام اختبار الفشل المبكر لحساب مخاطر الضمان في التطبيق واختبار احتمالية الفشل قبل تلف الجهاز. عادةً ما يحدث الفشل المبكر (معدل الفشل المبكر) بسبب عيوب لم يتم العثور عليها أو فحصها في عملية التصنيع، والتي تسمى عادةً "العيوب الداخلية". في حالة أجهزة GaN، ستؤدي هذه العيوب المتأصلة إلى تشويه المجال الكهربائي والفشل المتسارع في مواضع الخلل.

لإجراء اختبار فعّال، ينبغي اختبار عينة من الجهاز أكبر بكثير من اختبار HALT الموصوف سابقًا، وذلك لزيادة احتمالية اكتشاف عيوب جوهرية. طريقة الاستخدام موصوفة بالكامل في معيار JEDEC JESD 74A، والذي يُمكن الحصول عليه من موقع JEDEC الإلكتروني.

عادةً ما يتم حساب الفشل المبكر في الحياة بواسطة FIT (معدل فشل المليار ساعة) أو PPM/السنة. تظهر البيانات أن معدل FIT منخفض جدًا، مما قد يشير إلى موثوقية مجال جيدة جدًا.

كل شيء على ما يرام

يتبع حساب موثوقية Transphorm في الموقع ممارسات الصناعة، ويأخذ في الاعتبار عدد الأجهزة التي تم تسليمها، ومدة استخدامها في الميدان، وعدد الأجهزة التي تعطلت كما أبلغ عنها العملاء. وبطبيعة الحال، لا يمكن تسليم جميع المنتجات أو استخدامها على الفور. لكي نكون متحفظين، سيتم تخفيض إجمالي عدد ساعات الجهاز إلى النصف. يصل وقت عمل أجهزة Transphorm في الميدان إلى أكثر من 7 مليارات ساعة. حتى الآن، تم إعادته مرتين، وموثوقيته الميدانية أقل من 1FIT.

"تُظهر الاختبارات أن أجهزة طاقة GaN المذكورة أعلاه تتجاوز متطلبات الموثوقية الصعبة لمصنعي المعدات الأصلية في السيارات والصناعات. إن موثوقية أجهزة GaN هذه تساوي على الأقل موثوقية السيليكون الحالية وغيرها من تقنيات فجوة النطاق الواسعة، وغالبًا ما تكون أفضل، "اختتم بار بثقة.

GaN هو الحل الأمثل

图源 | بينتريست

"إن استهلاك الطاقة المنخفض GaN هو الخطوة الثورية التالية، والتي ستفتح حقبة جديدة لتطبيقات إلكترونيات الطاقة. ومع ذلك، هناك بعض المشكلات التي يجب الانتباه إليها عند استخدام تقنية ترانزستور الطاقة الجديدة "، إريك بيرسون، كبير المهندسين في شركة Infineon وأشار التكنولوجيا.

يلعب مفتاح الطاقة دورًا مهمًا في تحسين أداء المحول وكثافته وتكلفته. تقليديًا، تعتمد ترانزستورات الطاقة المستخدمة كمفاتيح على السيليكون، ويظهر الاتجاه بوضوح أن الترانزستورات ذات فجوة النطاق الواسعة، وخاصة GaN، أصبحت معيارًا للمحولات عالية الأداء وصغيرة الحجم.

إذا نظرنا إلى الوراء في تطور تكنولوجيا ترانزستور الطاقة، حتى اليوم، كان ترانزستور السيليكون SJ (الوصلة الفائقة) هو تقنية الترانزستور الرئيسية المستخدمة في الشاحن/المحول. يمكن أن يوفر مقاومة منخفضة، وقدرة ممتازة على التعامل مع التيار، وقيادة بسيطة للبوابة، وموثوقية مثبتة بمرور الوقت في حزمة صغيرة، وكلها منخفضة التكلفة.

ومع ذلك، بالنظر إلى نطاق الجهد الواسع الذي يتطلبه المحول والجهد الزائد العابر الناجم عن محاثة التسرب وزيادة البرق العابرة، فحتى الترانزستورات 650 فولت غالبًا ما تكون غير كافية، وتتطلب أجهزة 700-800 فولت. وهذا هو أحد الجوانب التي يتمتع فيها GaN بمزايا واضحة على السيليكون. لأنه عندما يتجاوز الجهد المطبق الجهد المقنن، سيدخل ترانزستور السيليكون في حالة الانهيار الجليدي. تستخدم بعض التصميمات تأثير زينر كمخزن مؤقت لقمع الجهد الزائد العابر. ومع ذلك، حتى لو كانت الطاقة في منطقة العمل الآمنة (SOA) للترانزستور، فإن هذه الطريقة ستزيد من فقدان الطاقة، وقد تؤدي إلى تداخل كهرومغناطيسي إضافي غير مرغوب فيه. بالإضافة إلى ذلك، قد تتجاوز كمية كبيرة من الطاقة الناتجة عن زيادة التيار طاقة الانهيار الجليدي وتؤدي إلى تلف الترانزستور.

على العكس من ذلك، فإن الجهد المقنن لترانزستور GaN أقل بكثير من جهد الانهيار المدمر الفعلي. يعتمد الجهد المقنن للترانزستور على شروط التطبيق المحددة لتلبية مستوى الموثوقية المطلوب طوال عمر الجهاز. على سبيل المثال، عادةً ما يكون لدى النوع E HEMT من Coolgan 600v جهد انهيار مدمر يزيد عن 1000 فولت، ومعدل جهد النبض الخاص به هو 750 فولت في ظل ظروف مختلفة. في طوبولوجيا مطابقة ACF المثالية، تتم إدارة طاقة التسرب بواسطة دائرة الرنين، ويمكن لتصنيف جهد النبض العالي لـ GaN ضبط جهد زيادة البرق.

المفتاح لتطبيق ترانزستور GaN هو أن متطلبات محرك البوابة الخاصة به تختلف عن متطلبات ترانزستور السيليكون. يتمثل الاختلاف المهم في أن العتبة والجهد الشامل لمصدر البوابة (VGS) لـ GaN أقل بكثير من تلك الموجودة في ترانزستورات السيليكون. على الرغم من أن هذا يقلل من شحن البوابة، إلا أنه قد يمثل أيضًا تحديات في إبقاء الترانزستور مغلقًا. في دائرة ACF، يتم تكوين ترانزستورين كجسور نصفية، ويكون المفتاح الرئيسي في الأسفل، ويتم استخدام المشبك النشط كمفتاح عالي الجانب. ويتم تشغيل وحدة التحكم ومحرك الترانزستور منخفض الجانب بواسطة مصدر طاقة متحيز. لكن سائق البوابة ذات الجانب العالي يحتاج إلى مصدر طاقة عائم. في مصدر الطاقة الكبير للاتصالات أو مركز البيانات، يمكن استخدام محول DC-DC واحد لتوفير طاقة متحيزة عائمة لجانب الجهد العالي. لكن في المحول/الشاحن، يكون حجم هذه الطريقة وتكلفتها باهظين.

طوبولوجيا flyback المشبك النشط دائرة مبسطة

من الطرق الشائعة لتزويد الجهد العالي بالطاقة ما يُسمى بإمدادات الطاقة المُعاد تشغيلها (bootstrap power supply)، أي عند تشغيل الجهد المنخفض، تُشحن مكثفة تخزين الطاقة المُنحازة من جانب الجهد العالي صعودًا من مصدر طاقة الجهد المنخفض عبر الصمام الثنائي. عند فتح الجهد العالي، يسحب المكثف انحيازًا من مكثف تخزين الطاقة، ويجب إعادة تعبئته بانتظام (في كل مرة يُفتح فيها الجهد المنخفض). عندما تعمل الدائرة بشكل مستمر، تُعد هذه طريقة فعالة جدًا ومنخفضة التكلفة لتزويد الجهد العالي بالطاقة. لكن التحدي يكمن في كيفية العمل في الوضع المتقطع.

إذًا، كيف نتجنب التشغيل الخاطئ للجانب العلوي عندما لا يتم شحن مكثف التمهيد؟ يتضمن محرك البوابة العامة IC أحيانًا تصميم دائرة تثبيت، لكن الطريقة التقليدية لترانزستورات السيليكون تعتمد على جهد عتبة أعلى (مثل 3-4 فولت). لذلك، إذا بدأت الدوائر في التثبيت في نطاق 1-2 فولت، لسوء الحظ، فإنها تحتاج إلى مئات ns لبدء التثبيت. يمكن لترانزستورات GaN بالفعل توصيل كمية كبيرة من التيار عند هذه الفولتية للبوابة.

لتحسين أداء مُشغِّل المشبك السريع المُدمج مع ترانزستور GaN، يجب تقليل معاوقة التداخل بينهما إلى أدنى حد. تعتمد شركة Yingling طريقة دمج ترانزستورات GaN ذات الجانبين العالي والمنخفض (190 ميلي واط)، وتُدمجها مع مُشغِّل نصف جسر جديد في عبوة iQFN 8×8 مم، مما يُنتج مرحلة طاقة متكاملة نصف جسر (IPS).

بالمقارنة مع المنتجات المنافسة، تتميز طريقة التكامل والتقسيم هذه بالمزايا التالية:

اكتب في النهاية

أفضل علاج للسرطان

تتميز أشباه الموصلات من الجيل الثالث، المتمثلة في نيتريد الغاليوم وكربيد السيليكون، بخصائص ممتازة مثل مقاومة درجات الحرارة العالية، ومقاومة الجهد العالي، والتردد العالي، والطاقة العالية، ومقاومة الإشعاع، والقيود في التكنولوجيا والتكلفة تتلاشى ببطء. بعد ذلك، يعتمد الأمر على كيفية قيام جانب التطبيق بإطلاق العنان لمزاياه من خلال اختبار الجهاز وتطوير برنامج التشغيل ومطابقة المكونات الطرفية.

إخلاء المسؤولية: هذه المقالة مستنسخة من "وغير تابعة للويب eefocus". تمثل هذه المقالة فقط آراء المؤلف الشخصية، ولا تمثل آراء Sacco Micro والصناعة. إنه مخصص فقط لإعادة الطباعة والمشاركة لدعم حماية حقوق الملكية الفكرية. يرجى الإشارة إلى المصدر الأصلي والمؤلف عند إعادة الطبع. وفي حالة وجود أي مخالفة يرجى التواصل معنا لحذفها.