לאחרונה קראתי את המאמר של פרופסור צ'ן יונגג'ן מאוניברסיטת ליאונינג לטכנולוגיה, "האם קבל אלקטרוליטי עבור GaN FET הוא רק גימיק?" יש הרבה תחושות, אז הקבל האלקטרוליטי של גליום ניטריד (GaN)FET (טרנזיסטור אפקט שדה) נוצר. מלבד הנפח המופחת שלו, לא ניתן להפחית במידה ניכרת את השראות הטפילית שלו כאשר תהליך הייצור לא השתנה באופן מהותי, ויש לו מאפייני השראות בתדר מיתוג גבוה, עם הרבה הרמוניות גבוהות יותר. לכן, קבל אלקטרוליטי כזה מיותר.

+אכן, ברגע האיטרציה של דור חדש של טכנולוגיות חדשניות, תמיד יהיו בוץ וחול. עם זאת, עם התפתחות הטכנולוגיה התומכת ההיקפית של הטכנולוגיה החדשה, תפקידה יהיה חשוב יותר ויותר, כמו התקני כוח גליום ניטריד. בואו נסתכל על מה אמרו יצרניות הקפה הגדולות בתעשייה על גליום ניטריד לאחרונה, ואילו לקחים הם יכולים לתת לנו?

GaN הפך לזרז אנרגיה של 5G.

"הופעתו של גליום ניטריד תענה על הדרישה של 5G, תממש טופולוגיה חדשה ותשנה לחלוטין את הטעינה המהירה", אמר סטיבן אוליבר, סגן נשיא לשיווק תאגידי וקשרי משקיעים ב-Navitas Semiconductor.

לפי הנתונים שפרסמה GSMArena, מאז 2010, גודל המסך הממוצע וקיבולת הסוללה של פלטפורמות טלפונים ניידים חדשות כמו Apple iPhone 12, Xiaomi Mi11 ו-Samsung S21 גדלו ביותר מפי שלושה. זה לא מקובל להשתמש במטענים מסחריים מבוססי סיליקון איטיים של 5W או 20W כדי להאריך את זמן הטעינה, ולכן יש צורך בכוח נוסף.

כפי שמראה הטופולוגיה המסורתית בתדר נמוך, קבלת יותר אנרגיה ממטען הסיליקון פירושה גודל גדול יותר, משקל כבד יותר ועלות גבוהה יותר, והתכנון של צפיפות ההספק והצפיפות התרמית הם צווארי בקבוק.

בתוך 10 שנים, גודל המסך וקיבולת הסוללה של טלפונים חכמים גדלו ביותר מפי 3.

אוליבר אמר כי הגידול בפונקציות מסך הסמארטפון, הסוללה וה-5G, כמו גם שיפור עיבוד הנתונים וקצב השידור והקיבולת, גרמו לאנשים לשים לב למהירות הטעינה ולגודל, משקל ועלות מתאם הנסיעה. במקביל, הצגת פלטפורמת טעינה יחידה וגמישה (חומרה ותוכנה), כלומר מחבר USB-C (USB-C) או ספק כוח ניתן לתכנות (PPS) עם העברת כוח (USB-PD), פירושה שהצרכנים לא להסתמך זמן רב יותר על מוצרי חשמל המסופקים על ידי OEM.

הוא מאמין שהמפתח לשיפור צפיפות ההספק הוא להגדיל את תדר המיתוג ולמזער רכיבים פסיביים כמו שנאים, מסנני EMI, קיבולת גדולה וקבלי מוצא. כבר ב-1996 הוצעה טופולוגיה מהירה כמו Active Clamped Flyback (ACF) על ידי הקהילה האקדמית, אך היא הייתה מתוסכלת מההתנגדות הלקויה וביצועי המיתוג והמורכבות של הסיליקון והיעדר IC בקרה אופטימלי.

בתחילת 2018, הצגת ה-GaN power IC שמה קץ למצב הזה, שלא רק הפך את ה-ACF לאפשרי מסחרית, אלא גם גרם לטעינת ה-Flyback בתדר גבוה בתדר גבוה של מטען סמארטפון, כמו גם ב-CrCM (מצב הולכה קריטית). ) להגביר את הטופולוגיה של PFC (תיקון גורם הספק), LLC במהירות גבוהה (בקר תהודה) ו-CrCM טוטם PFC מתקדם עבור מערכות הספק גבוהות יותר כגון מחשבים ניידים למשחקים, מחשבים משולבים, טלוויזיות וספקי כוח של יחידות שידור 5G אפשריים מסחרית.

מעגל משולב להספק GaN משלב FET להספק GaN ודוחף GaN בתוספת בקרה והגנה במארז שבב אחד. מעגלי אספקת החשמל GaNFast™ הללו הם רכיבי אספקת חשמל דיגיטליים קלים לשימוש, מהירים ובעלי ביצועים גבוהים, בעלי קלט ופלט. מכיוון שלמעגל הנעת השער אין למעשה עכבה, כמעט ואין הפסדים כאשר הוא כבוי לאחר האינטגרציה. בנוסף, ניתן לשלוט ולהתאים אישית את ביצועי הפתיחה בהתאם לדרישות היישום הספציפיות.

מה ההשפעה? GaN power IC פועל פי 20 מהר יותר ופי 3 יותר מעיצוב סיליקון מסורתי, והוא שימש על ידי יצרניות OEM כגון Dell, Lenovo ו-Xiaomi לטעינה מהירה של טלפונים חכמים ומחשבים ניידים. כפי שניתן לראות מהמטען המהיר של OPPO 50W Mini SuperVOOC Cookie, הטופולוגיה המהירה של GaN מבטלת רכיבים פסיביים ומקטינה את גודל המטען. עם בקר TI UCC28782 וזוג של IC כוח GaNFast בתצורת חצי גשר, מתממשת הפלה-back אקטיבית מהדק אקטיבי ביעילות גבוהה עם מהירות גבוהה פי 10.

בדיקות תחת ביקוש שוק קשה

图源 |网络

"מבחני מתח וטמפרטורה קפדניים מראים שלמכשירי כוח GaN יש אמינות גבוהה הנדרשת על ידי שווקי הרכב והתעשייה", אמר רון בר, סגן נשיא לאיכות ואמינות של Transphorm.

היתרונות של רכיב MOSFET GaN בעל פער אנרגיה רחב (WBG) הופכים אותו למלא תפקיד חשוב יותר ויותר באירועים תובעניים כמו אספקת חשמל לרכב ואספקת חשמל למרכזי נתונים. יישומים אלה מאופיינים בתנאי עבודה מאתגרים, וכשלים אינם נסבלים עקב עלויות אחריות לרכב או עלויות גבוהות הקשורות לאמינות מרכז הנתונים. בעת בחירת התקני חשמל, מהנדסי תכנון חייבים לוודא שהם אמינים, חזקים ועמידים.

אם ניקח את הדלדול GaN HEMT (טרנזיסטור ניידות אלקטרונים גבוהה) TP65H035WSQA שתוכנן על ידי Transphorm כפול-שבב כפול כבוי כדוגמה, ה-GaN HEMT ו-FET סיליקון במתח נמוך כבוי בדרך כלל מחוברים בטור ליצירת מבנה מכשיר קקוד.

מבנה שילוב של סמל קקוד ומכשיר קקוד

המכשיר ארוז ב-TO-247 ועומד בתקן AEC-Q101 ב-175℃. בעת הערכת מהימנות המוצר, מהנדסי עיצוב זקוקים לארבעה "תחומים" של מידע/נתונים מהימנות כדי לקבוע אם המכשיר מתאים ליישום, כולל: אישור מוצר; מבחן חיים מואץ מאוד; מבחן כישלון חיים מוקדם; אמינות שדה.

产品认证

הסמכת מוצר פועלת בעיקר לפי שני תקנים נפוצים בתעשייה. תקן JEDEC JESD 47 מתאים למכשירים מסחריים, ותקן AEC-Q101 המחמיר יותר מתאים למכשירי מדידה לרכב. לכל תקן יש סדרה של בדיקות שהמוצרים חייבים לעבור, כגון מחזורי טמפרטורה, הטיה הפוכה בטמפרטורה גבוהה, הטיה ברשת בטמפרטורה גבוהה וכו', כך שניתן לראות במוצרים כאלה כבעלי תו תקן JEDEC או Q101.

高加速寿命试验

בדיקת חיים מואצת מאוד (HALT) היא שיטה מוגדרת היטב, כלומר, הלחץ מופעל על המכשיר בתנאי שלעתים הוא חורג ממגבלה של גיליון הנתונים שלו עד שהמכשיר נכשל. במקביל, נאספים הנתונים לגבי הזמן עד לכישלון (TTF), כך שניתן ליישם מודל מתאים לניבוי החיים העמידים (הנקראים גם החיים הטבועים).

תחת הטיה הפוכה, נבדקה אצווה של התקני מתח מדורג של 650V עם מתחים בין 1050V ל-1150V במצב כבוי עד שרוב המכשירים נכשלו. לאחר מכן חשב את הזמן הממוצע עד לכישלון בכל סט של תנאים.

图源 | הגבול

באופן דומה, יש לבדוק את המכשיר לכשל בשלוש טמפרטורות שונות. שלושה מתחים שונים ושלוש טמפרטורות שונות מתקבלים בתנאי בדיקה מואצים. כעת, זמן הכשל של כל בדיקה מנורמל תחת סט של תנאי שימוש, הנגזרים בדרך כלל מסיכום משימות היישום. בדוגמה, קבוצה של תנאים קיצוניים נבחרים כדי לחשב את משך החיים של מכשיר 650V 175℃ עם 100% מחזור עבודה.

ניתן לשלב את כל נתוני הבדיקה במודל, הנקרא "גרף שימוש". גרף זה מציג את הסתברות הכשל המשורטטת לפי זמן הכשל בתנאי השימוש.

הנוהג המקובל הוא להגדיר את חיי המכשיר כאשר הסתברות הכשל היא 100PPM. בדוגמה זו מדובר ב-106 שעות של פעולה רצופה במשך 100 שנים.

早期失效试验

בדיקת כשל מוקדם משמשת לחישוב סיכון האחריות ביישום ולבדוק את ההסתברות לכשל לפני שהמכשיר ייפגע. כישלון חיים מוקדם (שיעור כישלון מוקדם) מתרחש בדרך כלל עקב פגמים שלא נמצאו או נבדקו בתהליך הייצור, הנקרא בדרך כלל "פגמים פנימיים". במקרה של מכשירי GaN, פגמים מובנים אלו יובילו לעיוות שדה חשמלי ולכשל מואץ של מיקומי פגמים.

על מנת לבצע בדיקה משמעותית, עלינו לנסות לבדוק מדגם התקן גדול בהרבה מבדיקת ה-HALT שתוארה קודם לכן, על מנת להגדיל את הסבירות למציאת פגמים פנימיים. שיטת השימוש מתוארת במלואה בתקן JEDEC JESD 74A, אותו ניתן להשיג באתר האינטרנט של JEDEC.

כישלון חיים מוקדם מחושב בדרך כלל לפי FIT (Billion Hour Failure Rate) או PPM לשנה. הנתונים מראים ששיעור ה-FIT נמוך מאוד, מה שעשוי להעיד על אמינות שדה טובה מאוד.

现场可靠性

חישוב האמינות של Transphorm באתר עוקב אחר הנוהג בענף, ולוקח בחשבון את מספר המכשירים שנמסרו, כמה זמן הוא ישמש בשטח וכמה מכשירים נכשלו כפי שדווח על ידי הלקוחות. כמובן שלא כל המוצרים ניתנים למסירה או שימוש מיידי. כדי להיות שמרניים, המספר הכולל של שעות המכשיר יקטן בחצי. זמן העבודה של מכשירי טרנספורם בשטח הוא הרבה יותר מ-7 מיליארד שעות. עד כה, הוא הוחזר פעמיים, ואמינות השטח שלו היא פחות מ-1FIT.

"בדיקות מראות שהתקני הכוח של GaN לעיל עולים על דרישות האמינות המאתגרות של יצרני ציוד מקורי ותעשייה. האמינות של מכשירי GaN אלה שווה לפחות לזו של סיליקון קיימות וטכנולוגיות רחבות פס רחב אחרות, ולעתים קרובות היא טובה יותר", סיכם בר בביטחון.

GaN栅极驱动的新要求

图源 | פינטרסט

"צריכת חשמל נמוכה GaN היא הצעד המהפכני הבא, שיפתח עידן חדש עבור יישומי אלקטרוניקה כוח. עם זאת, יש לשים לב לכמה בעיות בעת שימוש בטכנולוגיית טרנזיסטור הכוח החדשה," אריק פרסון, מהנדס ראשי בכיר של Infineon טכנולוגיה, ציין.

מתג ההפעלה ממלא תפקיד חשוב בשיפור הביצועים, הצפיפות והעלות של המתאם. באופן מסורתי, טרנזיסטורי הספק המשמשים כמתגים הם מבוססי סיליקון, והמגמה מראה בבירור שטרנזיסטורי פס רחב, במיוחד GaN, הופכים לסטנדרט של מתאמים עם ביצועים גבוהים ומתאמים בגודל קטן.

במבט לאחור על התפתחות טכנולוגיית הטרנזיסטור הכוח, עד היום, טרנזיסטור סיליקון SJ (צומת סופר) היה טכנולוגיית הטרנזיסטור העיקרית המשמשת במטען/מתאם. זה יכול לספק התנגדות נמוכה להפעלה, יכולת טיפול מצוינת בזרם, הנעת שערים פשוטה ואמינות מוכחת בחבילה קטנה, שכולן בעלות נמוכה.

עם זאת, בהתחשב בטווח המתח הרחב הנדרש על ידי המתאם ובמתח יתר הנגרם על ידי השראות דליפה ומעבר גל ברק, לעתים קרובות אפילו טרנזיסטורים של 650V אינם מספיקים, ומצריכים התקני 700-800V. וזהו היבט אחד שבו ל-GaN יש יתרונות ברורים על פני סיליקון. מכיוון שכאשר המתח המופעל עולה על המתח הנקוב, טרנזיסטור הסיליקון יכנס למצב התמוטטות מפולת. עיצובים מסוימים משתמשים באפקט זנר כמאגר כדי לדכא ארעיות מתח יתר. עם זאת, גם אם האנרגיה נמצאת באזור העבודה הבטוח (SOA) של הטרנזיסטור, שיטה זו תגביר את אובדן ההספק, ועלולה להוביל ל-EMI לא רצוי נוסף (הפרעות אלקטרומגנטיות). בנוסף, כמות גדולה של אנרגיה שנוצרת על ידי גל עלולה לחרוג מאנרגיית המפולת ולפגוע בטרנזיסטור.

להיפך, המתח המדורג של טרנזיסטור GaN נמוך בהרבה ממתח הפירוק ההרסני שלו בפועל. המתח המדורג של הטרנזיסטור מבוסס על תנאי היישום שצוינו כדי לעמוד ברמת האמינות הנדרשת עבור חיי המכשיר. ל-HEMT מסוג E של coolgan 600v, למשל, יש בדרך כלל מתח פירוק הרסני של יותר מ-1000V, ודירוג מתח הדופק שלו הוא 750V בתנאים שונים. בטופולוגיית התאמת ה-ACF המושלמת, אנרגיית הדליפה מנוהלת על ידי מעגל התהודה, ודירוג מתח הדופק הגבוה של GaN יכול להתאים את מתח גל הברק.

המפתח ליישום של טרנזיסטור GaN הוא שדרישות כונן השער שלו שונות מאלו של טרנזיסטור סיליקון. הבדל חשוב הוא שהסף ומתח מקור השער (VGS) של GaN נמוכים משמעותית מאלו של טרנזיסטורי סיליקון. למרות שזה מפחית את טעינת השער, זה עשוי גם להציב אתגרים בשמירה על הטרנזיסטור. במעגל ACF, שני טרנזיסטורים מוגדרים כחצי גשרים, המתג הראשי נמצא בתחתית, והמהדק הפעיל משמש כמתג הצד הגבוה. והבקר ודרייבר הטרנזיסטור הנמוך מופעלים על ידי ספק כוח הטיה. אבל דרייבר השער הגבוה צריך ספק כוח צף. באספקת חשמל גדולה של טלקום או מרכז נתונים, ניתן להשתמש בממיר DC-DC יחיד כדי לספק כוח הטיה צף לצד המתח הגבוה. אבל במתאם/מטען, הגודל והעלות של שיטה זו אוסרים.

מעגל מפושט בטופולוגיה של מהדק חילוף פעיל

שיטה נפוצה לאספקת חשמל לצד המתח הגבוה היא מה שנקרא ספק כוח bootstrap, כלומר, כאשר צד המתח הנמוך מופעל, קבל אגירת האנרגיה המוטה על ידי צד המתח הגבוה נטען כלפי מעלה מספק כוח ההטיה של צד המתח הנמוך דרך דיודה. כאשר צד המתח הגבוה נפתח, הוא ימשוך הטיה מקבל אגירת האנרגיה, ויש לחדש אותו באופן קבוע (בכל פעם שצד המתח הנמוך נפתח). כאשר המעגל פועל ברציפות, זוהי שיטה יעילה וזולה מאוד לאספקת חשמל לצד המתח הגבוה. אבל האתגר הוא כיצד לפעול במצב לא רציף.

אז איך להימנע מהדלקה כוזבת של הצד הגבוה כאשר קבל ה-bootstrap אינו טעון? ה-IC Driver של השער הכללי כולל לפעמים עיצוב של מעגל הידוק, אך השיטה המסורתית עבור טרנזיסטורי סיליקון מסתמכת על מתח סף גבוה יותר (כגון 3-4V). לכן, אם המעגלים מתחילים להיצמד בטווח של 1-2V, למרבה הצער, הם צריכים מאות ns כדי להתחיל להידוק. טרנזיסטורי GaN כבר יכולים להוליך כמות גדולה של זרם במתחי השער הללו.

על מנת למטב את הביצועים של דרייבר מהיר מסוג clamp בשילוב עם טרנזיסטור GaN, יש למזער את עכבת ההפרעה ביניהם. Yingling מאמצת את שיטת שילוב טרנזיסטורי GaN בצד גבוה ונמוך (190 מטר?), ומשלבת אותם עם דרייבר חצי-גשר חדש במארז iQFN 8×8 מ"מ, ובכך יוצרת דרגת הספק משולבת (IPS) עם חצי גשר.

בהשוואה למוצרים תחרותיים, לשיטת שילוב וחלוקה זו יש את היתרונות הבאים:

לכתוב בסוף

发挥优势的时刻已经到来

מוליכים למחצה מהדור השלישי המיוצגים על ידי גליום ניטריד וסיליקון קרביד הם בעלי מאפיינים מצוינים כגון עמידות בטמפרטורה גבוהה, עמידות במתח גבוה, תדר גבוה, עמידות בפני הספק וקרינה גבוהים, והמגבלות בטכנולוגיה ובעלות נמסות לאט לאט. לאחר מכן, זה תלוי כיצד צד האפליקציה יכול לתת הפעלה מלאה ליתרונותיו באמצעות בדיקות מכשירים, פיתוח דרייברים והתאמת רכיבים היקפיים.

כתב ויתור: מאמר זה משוכפל מתוך "ולא אינטרנט eefocus". מאמר זה מייצג רק את דעותיו האישיות של המחבר, ואינו מייצג את דעותיהם של Sacco Micro והתעשייה. זה מיועד רק להדפסה מחדש ולשיתוף כדי לתמוך בהגנה על זכויות קניין רוחני. אנא ציינו את המקור והמחבר המקורי בעת ההדפסה מחדש. אם יש הפרה כלשהי, אנא צור איתנו קשר כדי למחוק אותה.