최근 랴오닝 공과대학 Chen Yongzhen 교수의 "GaN FET용 전해 커패시터는 단지 속임수에 불과한가?"라는 기사를 읽었습니다. 그런 느낌이 많이 들어서 질화갈륨(GaN)FET(전계효과 트랜지스터)용 전해콘덴서가 탄생하게 됐다. 부피가 줄어든 것 외에도 기생 인덕턴스는 제조 공정이 크게 변경되지 않으면 크게 줄일 수 없으며, 높은 스위칭 주파수에서 인덕턴스 특성을 가지며 고조파가 풍부합니다. 따라서 이러한 전해콘덴서는 불필요하다.

+실제로 차세대 혁신 기술이 반복되는 순간에는 항상 진흙과 모래가 있을 것입니다. 그러나 신기술의 주변지원 기술이 발전함에 따라 질화갈륨 전력소자 등 그 역할은 점점 더 중요해질 것이다. 최근 업계의 대형 커피 메이커들이 질화갈륨에 대해 어떻게 말하고 있으며, 그들이 우리에게 어떤 교훈을 줄 수 있는지 살펴보겠습니다.

GaN은 5G 에너지 촉매제가 되었습니다.

Navitas Semiconductor의 기업 마케팅 및 투자자 관계 담당 부사장인 Stephen Oliver는 "질화갈륨의 출현은 5G의 수요를 충족하고, 새로운 토폴로지를 실현하며, 고속 충전을 완전히 변화시킬 것입니다."라고 말했습니다.

GSMArena가 발표한 데이터에 따르면 2010년 이후 Apple iPhone 12, Xiaomi Mi11, Samsung S21 등 새로운 휴대폰 플랫폼의 평균 화면 크기와 배터리 용량이 XNUMX배 이상 증가했습니다. 충전 시간을 연장하기 위해 느린 실리콘 기반 5W 또는 20W 상용 충전기를 사용하는 것은 허용되지 않으므로 더 많은 전력이 필요합니다.

전통적인 저주파 토폴로지가 보여주듯이, 실리콘 충전기에서 더 많은 에너지를 얻는다는 것은 더 큰 크기, 더 무거운 무게, 더 높은 비용을 의미하며, 전력 밀도 및 열 밀도의 설계는 병목 현상을 발생시킵니다.

10년 만에 스마트폰의 화면 크기와 배터리 용량은 3배 이상 늘어났다.

올리버는 스마트폰 화면과 배터리, 5G 기능이 향상되고 데이터 처리 능력과 전송률, 용량이 향상되면서 충전 속도와 여행용 어댑터의 크기, 무게, 가격에 대한 관심이 높아졌다고 말했다. 동시에 USB-C 커넥터(USB-C) 또는 전력 전송 기능이 있는 프로그래밍 가능 전원 공급 장치(USB-PD)와 같은 유연한 단일 충전 플랫폼(하드웨어 및 소프트웨어)을 도입함으로써 소비자는 OEM이 제공하는 전력 제품에 더 이상 의존합니다.

그는 전력밀도를 높이는 열쇠는 스위칭 주파수를 높이고 트랜스포머, EMI 필터, 대용량, 출력 커패시터 등 수동 부품을 최소화하는 것이라고 믿는다. 이르면 1996년 학계에서 ACF(Active Lamped Flyback)와 같은 고속 토폴로지가 제안됐으나 온저항과 스위칭 성능이 열악하고 실리콘의 복잡성과 최적의 제어 IC가 부족해 좌절됐다.

2018년 초 GaN 전원 IC의 도입으로 이러한 상황이 종식되었으며, ACF를 상업적으로 사용할 수 있게 되었을 뿐만 아니라 스마트폰 충전기의 고주파 준공진 플라이백 충전과 CrCM(임계 전도 모드)도 가능해졌습니다. )는 게임용 노트북 컴퓨터, 통합 PC, 텔레비전 및 상업적으로 가능한 5G 전송 장치 전원 공급 장치와 같은 고전력 시스템을 위한 PFC(역률 보정) 토폴로지, 고속 LLC(공진 컨트롤러) 및 고급 CrCM 토템 폴 PFC를 향상합니다.

GaN 전력 IC는 GaN 전력 FET, GaN 드라이버, 그리고 제어 및 보호 기능을 단일 칩 패키지에 통합했습니다. 이 GaNFast? 전력 공급 IC는 사용하기 쉽고 고속, 고성능 디지털 입출력 전력 공급 부품입니다. 게이트 구동 회로는 기본적으로 임피던스가 없기 때문에 집적 후 꺼질 때 손실이 거의 없습니다. 또한, 특정 애플리케이션 요구 사항에 따라 개방 성능을 제어하고 맞춤 설정할 수 있습니다.

효과는 무엇입니까? GaN 전원 IC는 기존 실리콘 설계보다 20배 빠르고 3배 더 높게 실행되며 Dell, Lenovo, Xiaomi 등 OEM에서 스마트폰과 노트북을 빠르게 충전하는 데 사용되었습니다. OPPO 50W Mini SuperVOOC Cookie Quick Charger에서 볼 수 있듯이 고속 GaN 토폴로지는 수동 부품을 제거하고 충전기 크기를 줄입니다. TI UCC28782 컨트롤러와 한 쌍의 하프 브리지 구성 GaNFast 전력 IC를 사용하면 10배 빠른 속도의 고효율 액티브 클램프 플라이백이 실현됩니다.

가혹한 시장 수요에 따른 테스트

图源 |网络

Transphorm의 품질 및 신뢰성 부문 부사장인 Ron Barr는 “주의 깊은 전압 및 온도 스트레스 테스트를 통해 GaN 전력 장치가 자동차 및 산업 시장에서 요구하는 높은 신뢰성을 갖고 있음을 알 수 있습니다.”라고 말했습니다.

와이드 밴드갭(WBG) GaN 전력 MOSFET의 장점은 자동차 전력 서브시스템 및 데이터 센터 전원 공급 장치와 같이 까다로운 환경에서 점점 더 중요한 역할을 하고 있다는 것입니다. 이러한 애플리케이션은 까다로운 작동 조건을 필요로 하며, 자동차 보증 비용이나 데이터 센터 신뢰성 관련 높은 비용으로 인해 고장이 용납될 수 없습니다. 설계 엔지니어는 전력 소자를 선택할 때 신뢰성, 강도, 내구성을 반드시 확인해야 합니다.

Transphorm이 설계한 공핍 GaN HEMT(고전자 이동도 트랜지스터) TP65H035WSQA를 예로 들면, GaN HEMT와 정상 오프 저전압 실리콘 FET가 직렬로 연결되어 캐스코드 장치 구조를 형성합니다.

캐스코드 기호와 캐스코드 장치 조합 구조

이 장치는 TO-247 패키지로 제공되며 101℃에서 AEC-Q175 표준을 충족합니다. 제품 신뢰성을 평가할 때 설계 엔지니어는 장치가 애플리케이션에 적합한지 여부를 결정하기 위해 신뢰성 정보/데이터의 XNUMX가지 "영역"이 필요합니다. 고도로 가속된 수명 테스트; 초기 수명 실패 테스트; 현장 신뢰성.

인증 제품

제품 인증은 주로 업계에서 널리 사용되는 두 가지 표준을 따릅니다. JEDEC JESD 47은 상업용 장치에 적합하고, 더 엄격한 AEC-Q101 표준은 차량 계기 장치에 적합합니다. 각 표준에는 온도 사이클링, 고온 역방향 바이어스, 고온 그리드 바이어스 등 제품이 통과해야 하는 일련의 테스트가 포함되어 있으며, 이를 통해 해당 제품이 JEDEC 또는 Q101 인증을 받은 것으로 간주될 수 있습니다.

高加速寿命试验

HALT(Highly Accelerated Life Test)는 잘 정의된 방법입니다. 즉, 장치가 고장날 때까지 데이터 시트의 한도를 초과하는 경우가 있다는 조건 하에서 장치에 스트레스를 가하는 것입니다. 동시에 TTF(Time To Failure)에 대한 데이터가 수집되므로 적절한 모델을 적용하여 내구 수명(고유 수명이라고도 함)을 예측할 수 있습니다.

역방향 바이어스 하에서 꺼진 상태에서 전압이 650V~1050V인 1150V 정격 전압 장치 배치를 대부분의 장치가 고장날 때까지 테스트했습니다. 그런 다음 각 조건에서 평균 고장 시간을 계산합니다.

图源 | 더 버지

비슷한 방식으로 세 가지 다른 온도에서 장치의 고장 여부를 테스트해야 합니다. 가속 테스트 조건에서 세 가지 다른 전압과 세 가지 온도가 얻어집니다. 이제 각 테스트의 실패 시간은 일반적으로 애플리케이션 작업 요약에서 파생되는 일련의 사용 조건에 따라 정규화됩니다. 이 예에서는 650% 듀티 사이클로 175V 100℃ 장치의 수명을 계산하기 위해 일련의 극한 조건이 선택되었습니다.

모든 테스트 데이터는 "사용 그래프"라는 모델로 결합될 수 있습니다. 이 그래프는 사용 조건에서 고장 시간에 따라 고장 확률을 플롯한 것입니다.

일반적인 관행은 고장 확률이 100PPM일 때 장치 수명을 정의하는 것입니다. 이 예에서는 106년 동안 100시간 연속 작동됩니다.

早期失效试验

조기 고장 테스트는 애플리케이션의 보증 위험을 계산하고 장치가 손상되기 전에 고장 확률을 테스트하는 데 사용됩니다. 조기수명불량(조기불량률)은 제조과정에서 발견되지 않거나 걸러지지 않은 결함으로 인해 발생하는 경우가 많으며, 이를 보통 '내부결함'이라고 합니다. GaN 장치의 경우 이러한 고유한 결함으로 인해 전계 왜곡이 발생하고 결함 위치 실패가 가속화됩니다.

의미 있는 테스트를 위해서는 앞서 설명한 HALT 테스트보다 훨씬 큰 규모의 장치 샘플을 테스트하여 내재적 결함 발견 확률을 높여야 합니다. 테스트 방법은 JEDEC 표준 JESD 74A에 자세히 설명되어 있으며, JEDEC 웹사이트에서 확인할 수 있습니다.

초기 수명 실패는 일반적으로 FIT(Billion Hour Failure Rate) 또는 PPM/년으로 계산됩니다. 데이터에 따르면 FIT 비율이 매우 낮으며 이는 현장 신뢰성이 매우 우수함을 나타낼 수 있습니다.

现场可靠性

Transphorm의 현장 신뢰성 계산은 업계 관행을 따르며 배송된 장치 수, 현장에서 사용되는 기간, 고객이 보고한 고장난 장치 수를 고려합니다. 물론 모든 제품이 바로 배송되거나 사용이 가능한 것은 아닙니다. 보수적으로 말하면 총 장치 사용 시간은 절반으로 줄어듭니다. 현장에서 Transphorm 장치의 작동 시간은 7억 시간이 훨씬 넘습니다. 지금까지 두 번 반환되었으며 필드 신뢰도는 1FIT 미만입니다.

“테스트 결과 위의 GaN 전력 장치는 자동차 및 산업 OEM의 까다로운 신뢰성 요구 사항을 초과하는 것으로 나타났습니다. 이러한 GaN 장치의 신뢰성은 기존 실리콘 및 기타 와이드 밴드갭 기술과 적어도 동일하며 종종 더 좋습니다.”라고 Barr는 자신있게 결론을 내렸습니다.

GaN의 새로운 기술

图源 | 핀터레스트

"저전력 소비 GaN은 전력 전자 애플리케이션의 새로운 시대를 열 차세대 혁명적 단계입니다. 그러나 새로운 전력 트랜지스터 기술을 사용할 때 몇 가지 문제에 주의할 필요가 있습니다. "라고 Infineon 수석 엔지니어 Eric Persson은 말했습니다. 기술, 지적했습니다.

전원 스위치는 어댑터의 성능, 밀도 및 비용을 향상시키는 데 중요한 역할을 합니다. 전통적으로 스위치로 사용되는 전력 트랜지스터는 실리콘 기반이며, 넓은 밴드갭 트랜지스터, 특히 GaN이 고성능, 소형 어댑터의 표준이 되고 있는 추세가 분명하게 나타나고 있습니다.

파워 트랜지스터 기술의 발전을 되돌아보면 오늘날까지 실리콘 SJ(Super Junction) 트랜지스터가 충전기/어댑터에 사용되는 주요 트랜지스터 기술이었습니다. 낮은 온 저항, 우수한 전류 처리 성능, 간단한 게이트 구동, 오랜 시간 입증된 신뢰성을 작은 패키지에 제공할 수 있으며 이 모든 것이 저렴합니다.

그러나 어댑터에 필요한 넓은 전압 범위와 누설 인덕턴스 및 낙뢰 서지 과도 현상으로 인한 과전압 과도 현상을 고려하면 650V 트랜지스터로도 충분하지 않아 700~800V 장치가 필요한 경우가 많습니다. 이는 GaN이 실리콘에 비해 분명한 이점을 갖는 한 측면입니다. 왜냐하면 인가 전압이 정격 전압을 초과하면 실리콘 트랜지스터가 애벌런치 항복 상태로 들어가기 때문입니다. 일부 설계에서는 제너 효과를 버퍼로 사용하여 과도 전압을 억제합니다. 그러나 에너지가 트랜지스터의 SOA(안전 작업 영역)에 있더라도 이 방법은 전력 손실을 증가시키고 바람직하지 않은 EMI(전자기 간섭)를 추가로 초래할 수 있습니다. 또한, 서지에 의해 생성된 많은 양의 에너지는 애벌런치 에너지를 초과하여 트랜지스터를 손상시킬 수 있습니다.

반대로, GaN 트랜지스터의 정격 전압은 실제 파괴 항복 전압보다 훨씬 낮습니다. 트랜지스터의 정격 전압은 장치 수명에 필요한 신뢰성 수준을 충족하기 위해 지정된 적용 조건을 기반으로 합니다. 예를 들어, Coolgan 600v의 E-type HEMT는 일반적으로 1000V 이상의 파괴 항복 전압을 가지며, 다양한 조건에서 펄스 전압 정격은 750V입니다. 완벽한 ACF 매칭 토폴로지에서 누설 에너지는 공진 회로에 의해 관리되며 GaN의 높은 펄스 전압 정격은 낙뢰 서지 전압을 조정할 수 있습니다.

GaN 트랜지스터 적용의 핵심은 게이트 구동 요구 사항이 실리콘 트랜지스터의 요구 사항과 다르다는 것입니다. 중요한 차이점은 GaN의 임계값과 전체 게이트-소스 전압(VGS)이 실리콘 트랜지스터의 전압보다 훨씬 낮다는 것입니다. 이는 게이트 전하를 감소시키지만 트랜지스터를 꺼진 상태로 유지하는 데 어려움을 겪을 수도 있습니다. ACF 회로에서는 2개의 트랜지스터가 하프 브리지로 구성되고 메인 스위치는 하단에 있으며 액티브 클램프는 하이 사이드 스위치로 사용됩니다. 그리고 컨트롤러와 로우사이드 트랜지스터 드라이버는 바이어스 전원 공급 장치에 의해 전원이 공급됩니다. 그러나 하이사이드 게이트 드라이버에는 플로팅 전원 공급 장치가 필요합니다. 대형 통신 또는 데이터 센터 전원 공급 장치에서는 단일 DC-DC 컨버터를 사용하여 고전압 측에 플로팅 바이어스 전력을 제공할 수 있습니다. 그러나 어댑터/충전기에서는 이 방법의 크기와 비용이 엄청납니다.

액티브 클램프 플라이백 토폴로지 단순화된 회로

고전압 측에 전력을 공급하는 일반적인 방법은 소위 부트스트랩 전원 공급 장치입니다. 즉, 저전압 측이 켜지면 고전압 측에 의해 바이어스된 에너지 저장 커패시터가 다이오드를 통해 저전압 측 바이어스 전원 공급 장치에서 위쪽으로 충전됩니다. 고전압 측이 개방되면 에너지 저장 커패시터에서 바이어스를 끌어오게 되며, 저전압 측이 개방될 때마다 정기적으로 보충해야 합니다. 회로가 연속적으로 작동할 때, 이 방법은 고전압 측에 전력을 공급하는 매우 효과적이고 저렴한 방법입니다. 하지만 문제는 불연속 모드에서 어떻게 동작시키느냐는 것입니다.

그렇다면 부트스트랩 커패시터가 충전되지 않은 경우 하이사이드의 잘못된 턴온을 방지하는 방법은 무엇입니까? 일반 게이트 드라이버 IC에는 클램핑 회로 설계가 포함되는 경우가 있지만, 실리콘 트랜지스터의 기존 방식은 더 높은 문턱 전압(예: 3~4V)에 의존합니다. 따라서 회로가 1~2V 범위에서 클램핑을 시작하면 불행하게도 클램핑을 시작하는 데 수백 ns가 필요합니다. GaN 트랜지스터는 이미 이러한 게이트 전압에서 많은 양의 전류를 전도할 수 있습니다.

GaN 트랜지스터와 결합된 고속 클램프 드라이버의 성능을 최적화하려면 두 트랜지스터 간의 간섭 임피던스를 최소화해야 합니다. 잉링은 하이사이드 및 로우사이드 GaN 트랜지스터(190μΩ)를 통합하는 방식을 채택하고, 이를 iQFN 8×8mm 패키지의 새로운 하프 브리지 드라이버와 통합하여 하프 브리지 통합 전력단(IPS)을 구현했습니다.

경쟁 제품과 비교하여 이러한 통합 및 분할 방식은 다음과 같은 장점이 있습니다.

끝에 쓰기

发挥优势的时刻已经到来

질화갈륨과 탄화규소로 대표되는 3세대 반도체는 고온저항, 고전압저항, 고주파수, 고출력, 내방사선성 등 우수한 특성을 갖고 있어 기술과 비용의 한계가 서서히 녹아내리고 있다. 다음으로, 애플리케이션 측이 장치 테스트, 드라이버 개발 및 주변 장치 구성 요소 매칭을 통해 어떻게 장점을 최대한 발휘할 수 있는지에 달려 있습니다.

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