Récemment, j'ai lu l'article du professeur Chen Yongzhen de l'Université de technologie du Liaoning, « Le condensateur électrolytique pour GaN FET n'est-il qu'un gadget ? Il y a beaucoup de sentiments, c'est pourquoi le condensateur électrolytique pour le nitrure de gallium (GaN)FET (transistor à effet de champ) a vu le jour. Outre son volume réduit, son inductance parasite ne peut pas être considérablement réduite lorsque le processus de fabrication n'a pas sensiblement changé, et il présente des caractéristiques d'inductance à haute fréquence de commutation, avec de nombreuses harmoniques supérieures. Un tel condensateur électrolytique n’est donc pas nécessaire.

+En effet, au moment de l’itération d’une nouvelle génération de technologies innovantes, il y aura toujours de la boue et du sable. Cependant, avec le développement de technologies de support périphériques de nouvelles technologies, son rôle sera de plus en plus important, comme les dispositifs d'alimentation en nitrure de gallium. Jetons un coup d'œil à ce que les grands fabricants de café de l'industrie ont dit récemment à propos du nitrure de gallium, et quelles leçons peuvent-ils nous donner ?

Le GaN est devenu un catalyseur énergétique de la 5G.

« L'émergence du nitrure de gallium répondra à la demande de la 5G, réalisera une nouvelle topologie et changera complètement la charge rapide », a déclaré Stephen Oliver, vice-président du marketing d'entreprise et des relations avec les investisseurs chez Navitas Semiconductor.

Selon les données publiées par GSMArena, depuis 2010, la taille moyenne de l'écran et la capacité de la batterie des nouvelles plates-formes de téléphonie mobile telles que l'Apple iPhone 12, le Xiaomi Mi11 et le Samsung S21 ont augmenté de plus de trois fois. Il est inacceptable d’utiliser des chargeurs commerciaux lents à base de silicium de 5 W ou 20 W pour prolonger le temps de charge, il faut donc plus de puissance.

Comme le montre la topologie traditionnelle basse fréquence, obtenir plus d'énergie du chargeur au silicium signifie une taille plus grande, un poids plus lourd et un coût plus élevé, et la conception de la densité de puissance et de la densité thermique constitue des goulots d'étranglement.

En 10 ans, la taille de l’écran et la capacité de la batterie des téléphones intelligents ont été multipliées par plus de 3.

Oliver a déclaré que l'augmentation de l'écran du smartphone, de la batterie et des fonctions 5G, ainsi que l'amélioration du traitement des données, du taux et de la capacité de transmission, ont incité les gens à prêter attention à la vitesse de chargement ainsi qu'à la taille, au poids et au coût de l'adaptateur de voyage. Dans le même temps, l'introduction d'une plate-forme de charge unique et flexible (matérielle et logicielle), à ​​savoir un connecteur USB-C (USB-C) ou une alimentation programmable (PPS) avec transmission d'énergie (USB-PD), signifie que les consommateurs ne ne dépendent plus des produits électriques fournis par les OEM.

Il estime que la clé pour améliorer la densité de puissance est d'augmenter la fréquence de commutation et de minimiser les composants passifs tels que les transformateurs, les filtres EMI, les condensateurs de grande capacité et de sortie. Dès 1996, une topologie à grande vitesse telle que Active Clamped Flyback (ACF) a été proposée par la communauté universitaire, mais elle a été frustrée par les mauvaises performances de résistance à l'état passant et de commutation, la complexité du silicium et le manque de circuit intégré de contrôle optimal.

Début 2018, l'introduction du circuit intégré de puissance GaN a mis fin à cette situation, ce qui a non seulement rendu l'ACF commercialement réalisable, mais a également rendu possible la charge flyback quasi-résonante à haute fréquence du chargeur de smartphone, ainsi que le CrCM (mode de conduction critique). ) boostent la topologie PFC (correction du facteur de puissance), le LLC (contrôleur résonant) à grande vitesse et le PFC totem CrCM avancé pour les systèmes à puissance plus élevée tels que les ordinateurs portables de jeu, les PC intégrés, les téléviseurs et les alimentations d'unités de transmission 5G commercialement réalisables.

Le circuit intégré d'alimentation GaN intègre un transistor FET de puissance GaN, un pilote GaN, ainsi que des fonctions de contrôle et de protection dans un seul boîtier. Ces circuits d'alimentation GaNFast? sont des composants d'entrée et de sortie numériques simples d'utilisation, rapides et performants. Le circuit de commande de grille étant quasiment sans impédance, il n'y a quasiment aucune perte à la mise hors tension après intégration. De plus, les performances d'ouverture peuvent être contrôlées et personnalisées selon les exigences spécifiques de l'application.

Quel est l'effet ? Le circuit intégré de puissance GaN fonctionne 20 fois plus vite et 3 fois plus que la conception traditionnelle en silicium, et a été utilisé par des constructeurs OEM tels que Dell, Lenovo et Xiaomi pour charger rapidement les téléphones intelligents et les ordinateurs portables. Comme le montre le chargeur rapide OPPO 50W Mini SuperVOOC Cookie, la topologie GaN haute vitesse élimine les composants passifs et réduit la taille du chargeur. Avec le contrôleur TI UCC28782 et une paire de circuits intégrés d'alimentation GaNFast à configuration demi-pont, un retour à pince actif à haut rendement avec une vitesse 10 fois plus rapide est réalisé.

Tests soumis à une forte demande du marché

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"Des tests minutieux de tension et de température montrent que les dispositifs d'alimentation GaN présentent la fiabilité élevée requise par les marchés automobile et industriel", a déclaré Ron Barr, vice-président de la qualité et de la fiabilité de Transphorm.

Les avantages des MOSFET de puissance GaN à large bande interdite (WBG) leur confèrent un rôle de plus en plus important dans des applications exigeantes telles que les sous-systèmes d'alimentation automobile et les alimentations de centres de données. Ces applications présentent des conditions de fonctionnement difficiles et les pannes ne peuvent être tolérées en raison des coûts de garantie automobile ou des coûts élevés liés à la fiabilité des centres de données. Lors du choix de dispositifs d'alimentation, les ingénieurs concepteurs doivent s'assurer qu'ils sont fiables, robustes et durables.

En prenant comme exemple le GaN HEMT (transistor à mobilité électronique élevée) TP65H035WSQA conçu par Transphorm à double puce normalement désactivée, le GaN HEMT et un FET en silicium basse tension normalement désactivé sont connectés en série pour former une structure de dispositif cascode.

Structure de combinaison de symbole cascode et de dispositif cascode

L'appareil est conditionné en TO-247 et répond à la norme AEC-Q101 à 175 ℃. Lors de l'évaluation de la fiabilité d'un produit, les ingénieurs de conception ont besoin de quatre « domaines » d'informations/données de fiabilité pour déterminer si le dispositif est adapté à l'application, notamment : la certification du produit ; Test de durée de vie hautement accéléré ; Test d'échec en début de vie ; Fiabilité sur le terrain.

Produit certification

La certification des produits suit principalement deux normes courantes dans le secteur. La norme JEDEC JESD 47 est adaptée aux appareils commerciaux, tandis que la norme AEC-Q101, plus stricte, est destinée aux instruments de mesure des véhicules. Chaque norme impose une série de tests aux produits, tels que les cycles de température, la polarisation inverse à haute température, la polarisation de grille à haute température, etc., afin qu'ils soient considérés comme qualifiés JEDEC ou Q101.

高加速寿命试验

Le test de durée de vie hautement accéléré (HALT) est une méthode bien définie, c'est-à-dire que la contrainte est appliquée à l'appareil à condition qu'elle dépasse parfois la limite de sa fiche technique jusqu'à ce que l'appareil tombe en panne. Dans le même temps, les données sur le temps jusqu'à défaillance (TTF) sont collectées, afin qu'un modèle approprié puisse être appliqué pour prédire la durée de vie durable (également appelée durée de vie inhérente).

En polarisation inverse, un lot de dispositifs à tension nominale de 650 V avec des tensions comprises entre 1050 1150 V et XNUMX XNUMX V à l'état éteint ont été testés jusqu'à ce que la plupart des appareils tombent en panne. Calculez ensuite le temps moyen jusqu’à la défaillance dans chaque ensemble de conditions.

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De la même manière, l’appareil doit être testé pour détecter toute défaillance à trois températures différentes. Trois tensions différentes et trois températures différentes sont obtenues dans des conditions de test accélérées. Désormais, le temps d'échec de chaque test est normalisé selon un ensemble de conditions d'utilisation, généralement dérivées du résumé des tâches de l'application. Dans l'exemple, un ensemble de conditions extrêmes est sélectionné pour calculer la durée de vie d'un appareil 650 V 175 ℃ avec un rapport cyclique de 100 %.

Toutes les données de test peuvent être combinées dans un modèle appelé « graphique d’utilisation ». Ce graphique montre la probabilité de défaillance tracée en fonction du temps de défaillance dans les conditions d'utilisation.

La pratique courante consiste à définir la durée de vie de l'appareil lorsque la probabilité de défaillance est de 100 ppm. Dans cet exemple, il s’agit de 106 heures de fonctionnement continu pendant 100 ans.

早期失效试验

Le test de défaillance précoce est utilisé pour calculer le risque de garantie lors de l'application et tester la probabilité de défaillance avant que l'appareil ne soit endommagé. Les défaillances en début de vie (taux de défaillance précoce) se produisent généralement en raison de défauts non détectés ou éliminés au cours du processus de fabrication, généralement appelés « défauts internes ». Dans le cas des dispositifs GaN, ces défauts inhérents entraîneront une distorsion du champ électrique et une défaillance accélérée des positions défectueuses.

Pour un test pertinent, il est conseillé de tester un échantillon d'appareils bien plus important que celui du test HALT décrit précédemment, afin d'augmenter la probabilité de détecter des défauts intrinsèques. La méthode d'utilisation est décrite en détail dans la norme JEDEC JESD 74A, disponible sur le site web du JEDEC.

L’échec en début de vie est généralement calculé par FIT (Billion Hour Failure Rate) ou PPM/an. Les données montrent que le taux FIT est très faible, ce qui peut indiquer une très bonne fiabilité sur le terrain.

现场可靠性

Le calcul de fiabilité sur site de Transphorm suit les pratiques de l'industrie et prend en compte le nombre d'appareils livrés, la durée de leur utilisation sur le terrain et le nombre d'appareils en panne signalés par les clients. Bien entendu, tous les produits ne peuvent pas être livrés ou utilisés immédiatement. Par mesure de prudence, le nombre total d’heures d’utilisation de l’appareil sera réduit de moitié. Le temps de travail des appareils Transphorm sur le terrain dépasse largement les 7 milliards d'heures. Jusqu'à présent, il a été restitué deux fois et sa fiabilité sur le terrain est inférieure à 1FIT.

« Les tests montrent que les dispositifs d'alimentation GaN ci-dessus dépassent les exigences de fiabilité exigeantes des constructeurs automobiles et industriels. La fiabilité de ces dispositifs GaN est au moins égale à celle du silicium existant et d'autres technologies à large bande interdite, et elle est souvent meilleure », a conclu Barr avec confiance.

GaN 极动的新要求

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"Le GaN à faible consommation d'énergie est la prochaine étape révolutionnaire, qui ouvrira une nouvelle ère pour les applications de l'électronique de puissance. Cependant, certains problèmes doivent être pris en compte lors de l'utilisation de la nouvelle technologie des transistors de puissance", Eric Persson, ingénieur en chef senior d'Infineon. Technologie, a souligné.

L'interrupteur d'alimentation joue un rôle important dans l'amélioration des performances, de la densité et du coût de l'adaptateur. Traditionnellement, les transistors de puissance utilisés comme commutateurs sont à base de silicium, et la tendance montre clairement que les transistors à large bande interdite, en particulier le GaN, deviennent la norme en matière d'adaptateurs hautes performances et de petite taille.

En regardant le développement de la technologie des transistors de puissance, jusqu'à aujourd'hui, le transistor au silicium SJ (super jonction) a été la principale technologie de transistor utilisée dans les chargeurs/adaptateurs. Il peut fournir une faible résistance à l'état passant, une excellente capacité de gestion du courant, un pilotage de grille simple et une fiabilité éprouvée dans un petit boîtier, le tout à faible coût.

Cependant, compte tenu de la large plage de tension requise par l'adaptateur et des surtensions transitoires causées par l'inductance de fuite et les transitoires de surtension de foudre, même les transistors de 650 V ne suffisent souvent pas, nécessitant des dispositifs de 700 à 800 V. Et c’est un aspect dans lequel le GaN présente des avantages évidents par rapport au silicium. Parce que, lorsque la tension appliquée dépasse la tension nominale, le transistor au silicium entrera dans l'état de claquage par avalanche. Certaines conceptions utilisent l'effet Zener comme tampon pour supprimer les surtensions transitoires. Cependant, même si l'énergie se trouve dans la zone de travail sûre (SOA) du transistor, cette méthode augmentera la perte de puissance et peut conduire à des interférences électromagnétiques (interférences électromagnétiques) indésirables supplémentaires. De plus, une grande quantité d'énergie générée par la surtension peut dépasser l'énergie d'avalanche et endommager le transistor.

Au contraire, la tension nominale du transistor GaN est bien inférieure à sa tension de claquage destructrice réelle. La tension nominale du transistor est basée sur les conditions d'application spécifiées pour répondre au niveau de fiabilité requis pour la durée de vie de l'appareil. Le HEMT de type E du Coolgan 600 V, par exemple, a généralement une tension de claquage destructrice supérieure à 1000 750 V et sa tension nominale d'impulsion est de XNUMX V dans diverses conditions. Dans la topologie d'adaptation ACF parfaite, l'énergie de fuite est gérée par le circuit résonant, et la tension nominale d'impulsion élevée du GaN peut ajuster la tension de surtension de foudre.

La clé de l’application du transistor GaN réside dans le fait que ses exigences en matière de commande de grille sont différentes de celles du transistor au silicium. Une différence importante est que le seuil et la tension grille-source (VGS) du GaN sont nettement inférieurs à ceux des transistors en silicium. Bien que cela réduise la charge de grille, cela peut également présenter des difficultés pour maintenir le transistor hors tension. Dans le circuit ACF, deux transistors sont configurés en demi-ponts, l'interrupteur principal est en bas et la pince active est utilisée comme interrupteur côté haut. Et le contrôleur et le pilote de transistor côté bas sont alimentés par une alimentation de polarisation. Mais le pilote de grille côté haut a besoin d’une alimentation flottante. Dans les grandes alimentations de télécommunications ou de centres de données, un seul convertisseur DC-DC peut être utilisé pour fournir une alimentation de polarisation flottante pour le côté haute tension. Mais dans le domaine de l'adaptateur/chargeur, l'encombrement et le coût de cette méthode sont prohibitifs.

Circuit simplifié de topologie flyback à pince active

Une méthode courante pour alimenter le côté haute tension est l'alimentation dite « bootstrap ». Autrement dit, lorsque le côté basse tension est activé, le condensateur de stockage d'énergie polarisé par le côté haute tension est chargé par l'alimentation de polarisation côté basse tension via une diode. Lorsque le côté haute tension est ouvert, la polarisation est prélevée sur le condensateur de stockage d'énergie, qui doit être réapprovisionné régulièrement (à chaque ouverture du côté basse tension). Lorsque le circuit fonctionne en continu, cette méthode est très efficace et peu coûteuse pour alimenter le côté haute tension. Cependant, le défi réside dans le fonctionnement en mode discontinu.

Alors, comment éviter une fausse activation du côté haut lorsque le condensateur bootstrap n'est pas chargé ? Le circuit intégré de commande de grille général comprend parfois une conception de circuit de serrage, mais la méthode traditionnelle pour les transistors au silicium repose sur une tension de seuil plus élevée (telle que 3-4 V). Par conséquent, si les circuits commencent à se serrer dans la plage de 1 à 2 V, ils ont malheureusement besoin de centaines de ns pour commencer le serrage. Les transistors GaN peuvent déjà conduire une grande quantité de courant à ces tensions de grille.

Afin d'optimiser les performances d'un circuit d'attaque à pince rapide associé à un transistor GaN, il est nécessaire de minimiser l'impédance d'interférence entre eux. Yingling adopte la méthode d'intégration de transistors GaN côté haut et côté bas (190 mΩ) et les intègre à un nouveau circuit d'attaque en demi-pont dans un boîtier iQFN 8 × 8 mm, créant ainsi un étage de puissance intégré en demi-pont (IPS).

Par rapport aux produits concurrents, cette méthode d'intégration et de partitionnement présente les avantages suivants :

Ecrire à la fin

发挥优势的时刻已经到来

Les semi-conducteurs de troisième génération représentés par le nitrure de gallium et le carbure de silicium présentent d'excellentes caractéristiques telles qu'une résistance à haute température, une résistance à haute tension, une haute fréquence, une puissance élevée et une résistance aux rayonnements, et les limites technologiques et de coût fondent lentement. Ensuite, cela dépend de la manière dont l'application peut tirer pleinement parti de ses avantages grâce aux tests de périphériques, au développement de pilotes et à l'adaptation des composants périphériques.

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