Baru-baru ini, saya membaca artikel Profesor Chen Yongzhen dari Universitas Teknologi Liaoning, "Apakah kapasitor elektrolitik untuk GaN FET hanyalah gimmick?" Ada banyak perasaan, sehingga kapasitor elektrolitik untuk galium nitrida (GaN)FET (transistor efek medan) muncul. Selain volumenya yang berkurang, induktansi parasitnya tidak dapat dikurangi secara signifikan jika proses pembuatannya tidak berubah secara substansial, dan ia memiliki karakteristik induktansi pada frekuensi peralihan yang tinggi, dengan harmonisa yang lebih tinggi. Oleh karena itu, kapasitor elektrolitik seperti itu tidak diperlukan.

+Memang benar, pada saat generasi baru teknologi inovatif diulang, akan selalu ada lumpur dan pasir. Namun seiring dengan berkembangnya teknologi pendukung perangkat baru, perannya akan semakin penting, seperti perangkat listrik galium nitrida. Mari kita lihat apa yang dikatakan oleh pembuat kopi besar di industri ini tentang galium nitrida baru-baru ini, dan pelajaran apa yang dapat mereka berikan kepada kita?

GaN telah menjadi katalis energi 5G.

"Kemunculan galium nitrida akan memenuhi permintaan 5G, mewujudkan topologi baru, dan sepenuhnya mengubah pengisian daya cepat," kata Stephen Oliver, wakil presiden pemasaran korporat dan hubungan investor di Navitas Semiconductor.

Menurut data yang dirilis GSMArena, sejak 2010, rata-rata ukuran layar dan kapasitas baterai platform ponsel baru seperti Apple iPhone 12, Xiaomi Mi11, dan Samsung S21 meningkat lebih dari tiga kali lipat. Penggunaan pengisi daya komersial 5W atau 20W berbasis silikon lambat tidak dapat diterima untuk memperpanjang waktu pengisian daya, sehingga diperlukan lebih banyak daya.

Seperti yang ditunjukkan oleh topologi frekuensi rendah tradisional, mendapatkan lebih banyak energi dari pengisi daya silikon berarti ukurannya lebih besar, bobotnya lebih berat, dan biayanya lebih tinggi, dan desain kepadatan daya dan kepadatan termal merupakan hambatan.

Dalam 10 tahun, ukuran layar dan kapasitas baterai ponsel pintar telah meningkat lebih dari 3 kali lipat.

Oliver mengatakan bahwa peningkatan layar ponsel cerdas, baterai, dan fungsi 5G, serta peningkatan pemrosesan data serta kecepatan dan kapasitas transmisi, membuat masyarakat memperhatikan kecepatan pengisian daya dan ukuran, berat, serta biaya adaptor perjalanan. Pada saat yang sama, diperkenalkannya platform pengisian daya tunggal yang fleksibel (perangkat keras dan perangkat lunak), yaitu konektor USB-C (USB-C) atau catu daya yang dapat diprogram (PPS) dengan transmisi daya (USB-PD), berarti bahwa konsumen tidak lagi bergantung pada produk listrik yang disediakan oleh OEM.

Ia percaya bahwa kunci untuk meningkatkan kepadatan daya adalah dengan meningkatkan frekuensi switching dan meminimalkan komponen pasif seperti trafo, filter EMI, kapasitor berkapasitas besar dan keluaran. Pada awal tahun 1996, topologi berkecepatan tinggi seperti Active Clamped Flyback (ACF) diusulkan oleh komunitas akademis, tetapi hal ini terhambat oleh buruknya kinerja on-resistance dan switching serta kompleksitas silikon dan kurangnya IC kontrol yang optimal.

Pada awal tahun 2018, pengenalan IC daya GaN mengakhiri situasi ini, yang tidak hanya membuat ACF layak secara komersial, tetapi juga membuat pengisian daya flyback kuasi-resonansi frekuensi tinggi pada pengisi daya ponsel cerdas, serta CrCM (mode konduksi kritis) ) meningkatkan topologi PFC (koreksi faktor daya), LLC berkecepatan tinggi (pengontrol resonansi), dan PFC tiang totem CrCM yang canggih untuk sistem daya yang lebih tinggi seperti komputer notebook gaming, PC terintegrasi, televisi, dan catu daya unit transmisi 5G yang layak secara komersial.

IC daya GaN mengintegrasikan GaN power FET dan driver GaN, plus kontrol dan proteksi dalam satu paket chip. IC catu daya GaNFast? ini merupakan komponen catu daya input dan output digital yang mudah digunakan, berkecepatan tinggi, dan berkinerja tinggi. Karena rangkaian penggerak gerbang pada dasarnya tidak memiliki impedansi, hampir tidak ada rugi daya ketika dimatikan setelah integrasi. Selain itu, kinerja pembukaan dapat dikontrol dan disesuaikan dengan kebutuhan aplikasi spesifik.

Apa efeknya? IC daya GaN bekerja 20 kali lebih cepat dan 3 kali lebih tinggi dibandingkan desain silikon tradisional, dan telah digunakan oleh OEM seperti Dell, Lenovo, dan Xiaomi untuk mengisi daya ponsel pintar dan laptop dengan cepat. Terlihat pada OPPO 50W Mini SuperVOOC Cookie Quick Charger, topologi GaN berkecepatan tinggi menghilangkan komponen pasif dan memperkecil ukuran pengisi daya. Dengan pengontrol TI UCC28782 dan sepasang ics daya GaNFast konfigurasi setengah jembatan, flyback penjepit aktif efisiensi tinggi dengan kecepatan 10 kali lebih cepat dapat diwujudkan.

Pengujian di bawah permintaan pasar yang keras

图源 |网络

“Uji stres tegangan dan suhu yang cermat menunjukkan bahwa perangkat daya GaN memiliki keandalan tinggi yang dibutuhkan oleh pasar otomotif dan industri,” kata Ron Barr, wakil presiden kualitas dan keandalan Transphorm.

Keunggulan MOSFET daya GaN gap lebar (WBG) membuatnya memainkan peran yang semakin penting dalam berbagai tuntutan seperti subsistem daya mobil dan catu daya pusat data. Aplikasi ini memiliki kondisi kerja yang menantang, dan kegagalan tidak dapat ditoleransi karena biaya garansi mobil atau biaya tinggi terkait keandalan pusat data. Saat memilih perangkat listrik, insinyur desain harus yakin bahwa perangkat tersebut dapat diandalkan, kuat, dan tahan lama.

Mengambil GaN HEMT (transistor mobilitas elektron tinggi) penipisan TP65H035WSQA yang dirancang oleh chip ganda Transphorm yang biasanya mati sebagai contoh, GaN HEMT dan FET silikon tegangan rendah yang biasanya mati dihubungkan secara seri untuk membentuk struktur perangkat cascode.

Simbol cascode dan struktur kombinasi perangkat cascode

Perangkat ini dikemas dalam TO-247 dan memenuhi standar AEC-Q101 pada suhu 175℃. Saat mengevaluasi keandalan produk, insinyur desain memerlukan empat "domain" informasi/data keandalan untuk menentukan apakah perangkat tersebut cocok untuk aplikasi, termasuk: sertifikasi produk; Ujian hidup yang sangat dipercepat; Tes kegagalan kehidupan awal; Keandalan lapangan.

产品认证

Sertifikasi produk terutama mengikuti dua standar umum dalam industri. JEDEC JESD 47 cocok untuk perangkat komersial, dan standar AEC-Q101 yang lebih ketat cocok untuk perangkat pengukur kendaraan. Setiap standar memiliki serangkaian uji yang harus dilalui produk, seperti siklus suhu, bias balik suhu tinggi, bias grid suhu tinggi, dll., agar produk tersebut dapat dianggap memenuhi syarat JEDEC atau Q101.

高加速寿命试验

Uji umur yang sangat dipercepat (HALT) adalah metode yang terdefinisi dengan baik, yaitu, tegangan diterapkan pada perangkat dengan kondisi terkadang melebihi batas lembar data hingga perangkat gagal. Pada saat yang sama, data mengenai waktu hingga kegagalan (TTF) dikumpulkan, sehingga model yang sesuai dapat diterapkan untuk memprediksi umur tahan lama (juga disebut umur inheren).

Di bawah bias terbalik, sekumpulan perangkat tegangan pengenal 650V dengan tegangan antara 1050V dan 1150V dalam keadaan mati diuji hingga sebagian besar perangkat gagal. Kemudian hitung waktu rata-rata hingga kegagalan pada setiap rangkaian kondisi.

图源 | Tepi

Dengan cara yang sama, perangkat harus diuji kegagalannya pada tiga suhu berbeda. Tiga voltase berbeda dan tiga temperatur berbeda diperoleh dalam kondisi pengujian yang dipercepat. Sekarang, waktu kegagalan setiap pengujian dinormalisasi berdasarkan serangkaian kondisi penggunaan, yang biasanya diperoleh dari ringkasan tugas aplikasi. Dalam contoh ini, serangkaian kondisi ekstrem dipilih untuk menghitung masa pakai perangkat 650V 175℃ dengan siklus kerja 100%.

Semua data pengujian dapat digabungkan dalam suatu model, yang disebut "grafik penggunaan". Grafik ini menunjukkan kemungkinan kegagalan yang diplot berdasarkan waktu kegagalan dalam kondisi penggunaan.

Praktik yang umum adalah menentukan masa pakai perangkat ketika probabilitas kegagalan adalah 100PPM. Dalam contoh ini, ini adalah 106 jam pengoperasian terus menerus selama 100 tahun.

早期失效试验

Uji kegagalan awal digunakan untuk menghitung risiko garansi dalam penerapan dan menguji kemungkinan kegagalan sebelum perangkat rusak. Kegagalan masa awal (early fail rate) biasanya terjadi karena cacat yang tidak ditemukan atau disaring dalam proses produksi, yang biasa disebut dengan “cacat internal”. Dalam kasus perangkat GaN, cacat bawaan ini akan menyebabkan distorsi medan listrik dan percepatan kegagalan posisi cacat.

Agar pengujian dapat dilakukan secara bermakna, kita perlu mencoba menguji sampel perangkat yang jauh lebih besar daripada uji HALT yang dijelaskan sebelumnya, sehingga dapat meningkatkan probabilitas menemukan cacat intrinsik. Metode penggunaannya dijelaskan secara lengkap dalam standar JEDEC JESD 74A, yang dapat diperoleh di situs web JEDEC.

Kegagalan awal kehidupan biasanya dihitung dengan FIT (Billion Hour Failure Rate) atau PPM/tahun. Data menunjukkan bahwa tingkat FIT sangat rendah, yang mungkin mengindikasikan keandalan lapangan yang sangat baik.

现场可靠性

Perhitungan keandalan di lokasi Transphorm mengikuti praktik industri, dan memperhitungkan jumlah perangkat yang dikirimkan, berapa lama perangkat tersebut akan digunakan di lapangan, dan berapa banyak perangkat yang gagal seperti yang dilaporkan oleh pelanggan. Tentu tidak semua produk bisa langsung dikirim atau digunakan. Secara konservatif, jumlah jam penggunaan perangkat akan dikurangi setengahnya. Waktu kerja perangkat Transphorm di lapangan jauh lebih dari 7 miliar jam. Sejauh ini, telah dikembalikan dua kali, dan keandalan lapangannya kurang dari 1FIT.

“Pengujian menunjukkan bahwa perangkat daya GaN di atas melampaui persyaratan keandalan yang menantang dari OEM mobil dan industri. Keandalan perangkat GaN ini setidaknya sama dengan silikon yang ada dan teknologi celah pita lebar lainnya, dan seringkali lebih baik, ”Barr menyimpulkan dengan percaya diri.

GaN 栅极驱动的新要求

图源 | Pinterest

“Konsumsi daya rendah GaN merupakan langkah revolusioner berikutnya, yang akan membuka era baru untuk aplikasi elektronika daya. Namun, ada beberapa masalah yang perlu diperhatikan saat menggunakan teknologi transistor daya baru,” Eric Persson, senior chief engineer Infineon Teknologi, tegasnya.

Sakelar daya memainkan peran penting dalam meningkatkan kinerja, kepadatan, dan biaya adaptor. Secara tradisional, transistor daya yang digunakan sebagai sakelar berbasis silikon, dan tren tersebut dengan jelas menunjukkan bahwa transistor celah pita lebar, terutama GaN, menjadi standar adaptor berkinerja tinggi dan berukuran kecil.

Melihat kembali perkembangan teknologi transistor daya, hingga saat ini transistor silikon SJ (superjunction) masih menjadi teknologi transistor utama yang digunakan pada charger/adaptor. Ini dapat memberikan resistansi rendah, kemampuan penanganan arus yang sangat baik, penggerak gerbang yang sederhana, dan keandalan yang telah teruji waktu dalam paket kecil, yang semuanya berbiaya rendah.

Namun, mengingat rentang tegangan lebar yang dibutuhkan oleh adaptor dan transien tegangan lebih yang disebabkan oleh kebocoran induktansi dan transien lonjakan petir, bahkan transistor 650V seringkali tidak cukup, sehingga memerlukan perangkat 700-800V. Dan ini adalah salah satu aspek di mana GaN memiliki keunggulan yang jelas dibandingkan silikon. Sebab, ketika tegangan yang diberikan melebihi tegangan pengenal, transistor silikon akan memasuki kondisi kerusakan longsor. Beberapa desain menggunakan efek Zener sebagai buffer untuk menekan transien tegangan lebih. Namun, meskipun energi berada di area kerja aman (SOA) transistor, metode ini akan meningkatkan kehilangan daya, dan dapat menyebabkan tambahan EMI (interferensi elektromagnetik) yang tidak diinginkan. Selain itu, sejumlah besar energi yang dihasilkan oleh lonjakan arus dapat melebihi energi longsoran dan merusak transistor.

Sebaliknya, tegangan pengenal transistor GaN jauh lebih rendah daripada tegangan tembus destruktif sebenarnya. Tegangan pengenal transistor didasarkan pada kondisi aplikasi yang ditentukan untuk memenuhi tingkat keandalan yang diperlukan untuk masa pakai perangkat. HEMT tipe E dari coolgan 600v, misalnya, biasanya memiliki tegangan tembus destruktif lebih dari 1000V, dan nilai tegangan pulsanya adalah 750V dalam berbagai kondisi. Dalam topologi pencocokan ACF yang sempurna, energi kebocoran dikelola oleh rangkaian resonansi, dan peringkat tegangan pulsa tinggi GaN dapat menyesuaikan tegangan lonjakan petir.

Kunci penerapan transistor GaN adalah persyaratan penggerak gerbangnya berbeda dengan transistor silikon. Perbedaan penting adalah bahwa ambang batas dan tegangan sumber gerbang (VGS) GaN secara signifikan lebih rendah dibandingkan transistor silikon. Meskipun hal ini mengurangi muatan gerbang, hal ini juga dapat menimbulkan tantangan dalam mematikan transistor. Dalam rangkaian ACF, dua transistor dikonfigurasikan sebagai setengah jembatan, sakelar utama berada di bawah, dan penjepit aktif digunakan sebagai sakelar sisi tinggi. Dan pengontrol serta driver transistor sisi rendah ditenagai oleh catu daya bias. Namun penggerak gerbang sisi tinggi membutuhkan catu daya terapung. Dalam catu daya telekomunikasi atau pusat data besar, konverter DC-DC tunggal dapat digunakan untuk menyediakan daya bias mengambang untuk sisi tegangan tinggi. Namun pada adaptor/pengisi daya, ukuran dan biaya metode ini mahal.

Rangkaian topologi flyback penjepit aktif disederhanakan

Metode umum untuk mensuplai daya ke sisi tegangan tinggi adalah apa yang disebut catu daya bootstrap, yaitu ketika sisi tegangan rendah dihidupkan, kapasitor penyimpan energi yang dibias oleh sisi tegangan tinggi diisi ke atas dari sisi tegangan tinggi. catu daya bias sisi tegangan rendah melalui dioda. Apabila sisi tegangan tinggi dibuka maka akan menarik bias dari kapasitor penyimpan energi, dan harus diisi ulang secara berkala (setiap kali sisi tegangan rendah dibuka). Ketika rangkaian bekerja terus menerus, ini adalah metode yang sangat efektif dan berbiaya rendah untuk menyuplai daya ke sisi tegangan tinggi. Namun tantangannya adalah bagaimana beroperasi dalam mode terputus-putus.

Jadi, bagaimana cara menghindari false turn-on pada sisi tinggi ketika kapasitor bootstrap tidak diisi? IC driver gerbang umum terkadang menyertakan desain sirkuit penjepit, tetapi metode tradisional untuk transistor silikon bergantung pada tegangan ambang batas yang lebih tinggi (seperti 3-4V). Oleh karena itu, jika rangkaian mulai menjepit pada kisaran 1-2V, sayangnya, memerlukan ratusan ns untuk mulai menjepit. Transistor GaN sudah dapat menghantarkan arus dalam jumlah besar pada tegangan gerbang ini.

Untuk mengoptimalkan kinerja driver penjepit cepat yang dikombinasikan dengan transistor GaN, impedansi interferensi di antara keduanya harus diminimalkan. Yingling mengadopsi metode integrasi transistor GaN sisi tinggi dan sisi rendah (190m?), dan mengintegrasikannya dengan driver setengah jembatan baru dalam kemasan iQFN 8x8mm, sehingga menghasilkan tahap daya terintegrasi setengah jembatan (IPS).

Dibandingkan dengan produk pesaing, metode integrasi dan partisi ini memiliki keunggulan sebagai berikut:

Tulis di akhir

发挥优势的时刻已经到来

Semikonduktor generasi ketiga yang diwakili oleh galium nitrida dan silikon karbida memiliki karakteristik yang sangat baik seperti ketahanan suhu tinggi, ketahanan tegangan tinggi, frekuensi tinggi, daya tinggi dan ketahanan radiasi, dan keterbatasan teknologi dan biaya perlahan-lahan menghilang. Selanjutnya, tergantung pada bagaimana sisi aplikasi dapat memaksimalkan keunggulannya melalui pengujian perangkat, pengembangan driver, dan pencocokan komponen periferal.

Penafian: Artikel ini direproduksi dari "dan eefocus non-web". Artikel ini hanya mewakili pandangan pribadi penulis, dan tidak mewakili pandangan Sacco Micro dan industri. Ini hanya untuk dicetak ulang dan dibagikan untuk mendukung perlindungan hak kekayaan intelektual. Harap sebutkan sumber asli dan penulisnya saat mencetak ulang. Jika ada pelanggaran, silakan hubungi kami untuk menghapusnya.