Baru-baru ini, saya membaca artikel oleh Profesor Chen Yongzhen dari Universiti Teknologi Liaoning, "Adakah kapasitor elektrolitik untuk GaN FET hanya gimik?" Terdapat banyak perasaan, jadi kapasitor elektrolitik untuk galium nitrida (GaN)FET (transistor kesan medan) wujud. Selain daripada isipadu yang dikurangkan, kearuhan parasitnya tidak boleh dikurangkan dengan banyak apabila proses pembuatan tidak berubah dengan ketara, dan ia mempunyai ciri-ciri kearuhan pada frekuensi pensuisan yang tinggi, dengan harmonik yang lebih tinggi yang banyak. Oleh itu, kapasitor elektrolitik sedemikian tidak diperlukan.

+Sesungguhnya, pada masa lelaran generasi baharu teknologi inovatif, akan sentiasa ada lumpur dan pasir. Walau bagaimanapun, dengan pembangunan teknologi sokongan persisian teknologi baharu, peranannya akan menjadi semakin penting, seperti peranti kuasa galium nitrida. Mari kita lihat apa yang dikatakan oleh pembuat kopi besar dalam industri tentang galium nitrida baru-baru ini, dan apakah pengajaran yang boleh mereka berikan kepada kita?

GaN telah menjadi pemangkin tenaga 5G.

"Kemunculan galium nitrida akan memenuhi permintaan 5G, merealisasikan topologi baharu dan mengubah sepenuhnya pengecasan pantas," kata Stephen Oliver, naib presiden pemasaran korporat dan perhubungan pelabur di Navitas Semiconductor.

Menurut data yang dikeluarkan oleh GSMArena, sejak 2010, purata saiz skrin dan kapasiti bateri platform telefon mudah alih baharu seperti Apple iPhone 12, Xiaomi Mi11 dan Samsung S21 telah meningkat lebih tiga kali ganda. Penggunaan pengecas komersial 5W atau 20W berasaskan silikon perlahan untuk memanjangkan masa pengecasan adalah tidak boleh diterima, jadi lebih banyak kuasa diperlukan.

Seperti yang ditunjukkan oleh topologi frekuensi rendah tradisional, mendapatkan lebih banyak tenaga daripada pengecas silikon bermakna saiz yang lebih besar, berat yang lebih berat dan kos yang lebih tinggi, dan reka bentuk ketumpatan kuasa dan ketumpatan haba adalah kesesakan.

Dalam tempoh 10 tahun, saiz skrin dan kapasiti bateri telefon pintar telah meningkat lebih daripada 3 kali ganda.

Oliver berkata bahawa peningkatan skrin telefon pintar, bateri dan fungsi 5G, serta peningkatan pemprosesan data dan kadar penghantaran dan kapasiti, membuatkan orang ramai memberi perhatian kepada kelajuan pengecasan dan saiz, berat serta kos penyesuai perjalanan. Pada masa yang sama, pengenalan platform pengecasan tunggal yang fleksibel (perkakasan dan perisian), iaitu penyambung USB-C (USB-C) atau bekalan kuasa boleh atur cara (PPS) dengan penghantaran kuasa (USB-PD), bermakna pengguna tidak lebih lama bergantung pada produk kuasa yang disediakan oleh OEM.

Beliau percaya bahawa kunci untuk meningkatkan ketumpatan kuasa adalah untuk meningkatkan kekerapan pensuisan dan meminimumkan komponen pasif seperti transformer, penapis EMI, kapasiti besar dan kapasitor keluaran. Seawal tahun 1996, topologi berkelajuan tinggi seperti Active Clamped Flyback (ACF) telah dicadangkan oleh komuniti akademik, tetapi ia dikecewakan oleh prestasi rintangan dan pensuisan yang lemah serta kerumitan silikon serta kekurangan IC kawalan optimum.

Pada awal tahun 2018, pengenalan IC kuasa GaN menamatkan keadaan ini, yang bukan sahaja menjadikan ACF boleh dilaksanakan secara komersial, tetapi juga membuat pengecasan flyback kuasi-resonans frekuensi tinggi pengecas telefon pintar, serta CrCM (mod pengaliran kritikal ) meningkatkan topologi PFC (pembetulan faktor kuasa), LLC berkelajuan tinggi (pengawal resonan) dan PFC tiang totem CrCM yang canggih untuk sistem kuasa yang lebih tinggi seperti komputer notebook permainan, PC bersepadu, televisyen dan bekalan kuasa unit pemancar 5G yang boleh dilaksanakan secara komersial.

IC kuasa GaN menyepadukan pemacu GaN power FET dan GaN serta kawalan dan perlindungan dalam satu pakej cip. GaNFast ini? IC bekalan kuasa ialah komponen bekalan kuasa input dan output digital yang mudah digunakan, berkelajuan tinggi dan berprestasi tinggi. Oleh kerana litar pemacu pintu pada asasnya tidak mempunyai impedans, hampir tiada kerugian apabila ia dimatikan selepas penyepaduan. Di samping itu, prestasi pembukaan boleh dikawal dan disesuaikan mengikut keperluan aplikasi tertentu.

Apakah kesannya? IC kuasa GaN berjalan 20 kali lebih pantas dan 3 kali lebih tinggi daripada reka bentuk silikon tradisional, dan telah digunakan oleh OEM seperti Dell, Lenovo dan Xiaomi untuk mengecas telefon pintar dan komputer riba dengan pantas. Seperti yang dapat dilihat daripada Pengecas Pantas Kuki SuperVOOC Mini 50W OPPO, topologi GaN berkelajuan tinggi menghilangkan komponen pasif dan mengurangkan saiz pengecas. Dengan pengawal TI UCC28782 dan sepasang konfigurasi separuh jambatan GaNFast kuasa ics, flyback pengapit aktif kecekapan tinggi dengan kelajuan 10 kali lebih pantas direalisasikan.

Menguji di bawah permintaan pasaran yang keras

图源 |网络

“Ujian tekanan voltan dan suhu yang teliti menunjukkan bahawa peranti kuasa GaN mempunyai kebolehpercayaan yang tinggi yang diperlukan oleh pasaran automotif dan perindustrian,” kata Ron Barr, naib presiden kualiti dan kebolehpercayaan Transphorm.

Kelebihan jurang jalur lebar (WBG) MOSFET kuasa GaN menjadikannya memainkan peranan yang semakin penting dalam keadaan yang mencabar seperti subsistem kuasa kereta dan bekalan kuasa pusat data. Aplikasi ini mempunyai keadaan kerja yang mencabar dan kegagalan tidak boleh diterima kerana kos waranti kereta atau kos tinggi yang berkaitan dengan kebolehpercayaan pusat data. Apabila memilih peranti kuasa, jurutera reka bentuk mesti memastikan ia boleh dipercayai, kuat dan tahan lama.

Mengambil kehabisan GaN HEMT (transistor mobiliti elektron tinggi) TP65H035WSQA yang direka bentuk oleh Transphorm dwi-cip normally-off sebagai contoh, GaN HEMT dan FET silikon voltan rendah normally-off disambung secara bersiri untuk membentuk struktur peranti cascode.

Simbol cascode dan struktur gabungan peranti cascode

Peranti ini dibungkus dalam TO-247 dan memenuhi piawaian AEC-Q101 pada 175 ℃. Semasa menilai kebolehpercayaan produk, jurutera reka bentuk memerlukan empat "domain" maklumat/data kebolehpercayaan untuk menentukan sama ada peranti itu sesuai untuk aplikasi, termasuk: pensijilan produk; Ujian kehidupan yang sangat dipercepatkan; Ujian kegagalan awal hayat; Kebolehpercayaan lapangan.

产品认证

Pensijilan produk terutamanya mengikut dua piawaian biasa dalam industri. JEDEC JESD 47 sesuai untuk peranti komersial, dan standard AEC-Q101 yang lebih ketat sesuai untuk peranti tolok kenderaan. Setiap piawaian mempunyai satu siri ujian yang mesti dilalui oleh produk, seperti kitaran suhu, pincang songsang suhu tinggi, pincang grid suhu tinggi, dsb., supaya produk tersebut boleh dianggap sebagai JEDEC atau Q101 yang layak.

高加速寿命试验

Ujian hayat dipercepatkan tinggi (HALT) ialah kaedah yang ditakrifkan dengan baik, iaitu, tekanan dikenakan pada peranti di bawah keadaan kadangkala melebihi had helaian datanya sehingga peranti gagal. Pada masa yang sama, data tentang masa untuk kegagalan (TTF) dikumpul, supaya model yang sesuai boleh digunakan untuk meramalkan hayat tahan lama (juga dipanggil hayat yang wujud).

Di bawah pincang songsang, sekumpulan peranti voltan berkadar 650V dengan voltan antara 1050V dan 1150V dalam keadaan mati telah diuji sehingga kebanyakan peranti gagal. Kemudian hitung purata masa untuk kegagalan di bawah setiap set syarat.

图源 | The Verge

Dengan cara yang sama, peranti harus diuji untuk kegagalan pada tiga suhu berbeza. Tiga voltan berbeza dan tiga suhu berbeza diperoleh di bawah keadaan ujian dipercepatkan. Kini, masa kegagalan setiap ujian dinormalkan di bawah satu set keadaan penggunaan, yang biasanya diperoleh daripada ringkasan tugas aplikasi. Dalam contoh, satu set keadaan melampau dipilih untuk mengira jangka hayat peranti 650V 175℃ dengan kitaran tugas 100%.

Semua data ujian boleh digabungkan dalam model, yang dipanggil "graf penggunaan". Graf ini menunjukkan kebarangkalian kegagalan diplot mengikut masa kegagalan di bawah keadaan penggunaan.

Amalan biasa adalah untuk menentukan hayat peranti apabila kebarangkalian kegagalan ialah 100PPM. Dalam contoh ini, ia adalah 106 jam operasi berterusan selama 100 tahun.

早期失效试验

Ujian kegagalan awal digunakan untuk mengira risiko waranti dalam aplikasi dan menguji kebarangkalian kegagalan sebelum peranti rosak. Kegagalan hayat awal (kadar kegagalan awal) biasanya berlaku disebabkan oleh kecacatan yang tidak ditemui atau disaring dalam proses pembuatan, yang biasanya dipanggil "kecacatan dalaman". Dalam kes peranti GaN, kecacatan yang wujud ini akan membawa kepada herotan medan elektrik dan kegagalan kedudukan kecacatan yang dipercepatkan.

Untuk menguji secara bermakna, kita harus cuba menguji sampel peranti yang jauh lebih besar daripada ujian HALT yang diterangkan sebelum ini, untuk meningkatkan kebarangkalian mencari kecacatan intrinsik. Kaedah penggunaan diterangkan sepenuhnya dalam standard JEDEC JESD 74A, yang boleh didapati di laman web JEDEC.

Kegagalan hayat awal biasanya dikira dengan FIT (Billion Hour Failure Rate) atau PPM/tahun. Data menunjukkan bahawa kadar FIT adalah sangat rendah, yang mungkin menunjukkan kebolehpercayaan medan yang sangat baik.

现场可靠性

Pengiraan kebolehpercayaan di tapak Transphorm mengikut amalan industri, dan mengambil kira bilangan peranti yang dihantar, tempoh masa peranti itu akan digunakan di lapangan dan bilangan peranti yang gagal seperti yang dilaporkan oleh pelanggan. Sudah tentu, tidak semua produk boleh dihantar atau digunakan dengan segera. Untuk menjadi konservatif, jumlah jam peranti akan dikurangkan separuh. Masa kerja peranti Transphorm di lapangan adalah jauh lebih daripada 7 bilion jam. Setakat ini, ia telah dikembalikan dua kali, dan kebolehpercayaan medannya kurang daripada 1FIT.

“Ujian menunjukkan bahawa peranti kuasa GaN di atas melebihi keperluan kebolehpercayaan yang mencabar bagi OEM automobil dan industri. Kebolehpercayaan peranti GaN ini sekurang-kurangnya sama dengan silikon sedia ada dan teknologi jurang jalur lebar yang lain, dan selalunya lebih baik," Barr menyimpulkan dengan yakin.

GaN栅极驱动的新要求

图源 | Pinterest

"Penggunaan kuasa yang rendah GaN adalah langkah revolusioner seterusnya, yang akan membuka era baharu untuk aplikasi elektronik kuasa. Walau bagaimanapun, beberapa masalah perlu diberi perhatian apabila menggunakan teknologi transistor kuasa baharu," Eric Persson, ketua jurutera kanan Infineon Teknologi, ditunjukkan.

Suis kuasa memainkan peranan penting dalam meningkatkan prestasi, ketumpatan dan kos penyesuai. Secara tradisinya, transistor kuasa yang digunakan sebagai suis adalah berasaskan silikon, dan arah aliran jelas menunjukkan bahawa transistor celah jalur lebar, terutamanya GaN, menjadi standard penyesuai berprestasi tinggi dan saiz kecil.

Mengimbas kembali perkembangan teknologi transistor kuasa, sehingga hari ini, transistor silikon SJ (super junction) telah menjadi teknologi transistor utama yang digunakan dalam pengecas/penyesuai. Ia boleh memberikan rintangan pada yang rendah, keupayaan pengendalian semasa yang sangat baik, pemanduan pagar yang mudah, dan kebolehpercayaan yang telah terbukti masa dalam pakej kecil, yang kesemuanya adalah kos rendah.

Walau bagaimanapun, memandangkan julat voltan luas yang diperlukan oleh penyesuai dan transien voltan lampau yang disebabkan oleh kearuhan kebocoran dan lonjakan kilat sementara, walaupun transistor 650V selalunya tidak mencukupi, memerlukan peranti 700-800V. Dan ini adalah satu aspek di mana GaN mempunyai kelebihan yang jelas berbanding silikon. Kerana, apabila voltan yang digunakan melebihi voltan terkadar, transistor silikon akan memasuki keadaan kerosakan longsor. Sesetengah reka bentuk menggunakan kesan Zener sebagai penimbal untuk menyekat transient overvoltage. Walau bagaimanapun, walaupun tenaga berada di kawasan kerja selamat (SOA) transistor, kaedah ini akan meningkatkan kehilangan kuasa, dan boleh menyebabkan tambahan EMI (gangguan elektromagnet) yang tidak diingini. Di samping itu, sejumlah besar tenaga yang dijana oleh lonjakan mungkin melebihi tenaga runtuhan salji dan merosakkan transistor.

Sebaliknya, voltan terkadar transistor GaN adalah jauh lebih rendah daripada voltan kerosakan sebenar yang merosakkannya. Voltan terkadar transistor adalah berdasarkan keadaan aplikasi yang ditetapkan untuk memenuhi tahap kebolehpercayaan yang diperlukan untuk hayat peranti. E-jenis HEMT coolgan 600v, sebagai contoh, biasanya mempunyai voltan kerosakan yang merosakkan lebih daripada 1000V, dan penarafan voltan nadinya ialah 750V dalam pelbagai keadaan. Dalam topologi padanan ACF yang sempurna, tenaga kebocoran diuruskan oleh litar resonans, dan penarafan voltan nadi tinggi GaN boleh melaraskan voltan lonjakan kilat.

Kunci kepada penggunaan transistor GaN ialah keperluan pemacu getnya berbeza daripada transistor silikon. Perbezaan penting ialah ambang dan voltan sumber get semua (VGS) GaN adalah jauh lebih rendah daripada transistor silikon. Walaupun ini mengurangkan cas get, ia juga mungkin memberikan cabaran dalam memastikan transistor dimatikan. Dalam litar ACF, dua transistor dikonfigurasikan sebagai separuh jambatan, suis utama berada di bahagian bawah, dan pengapit aktif digunakan sebagai suis sisi tinggi. Dan pengawal dan pemacu transistor sisi rendah dikuasakan oleh bekalan kuasa berat sebelah. Tetapi pemandu pintu sebelah tinggi memerlukan bekalan kuasa terapung. Dalam bekalan kuasa telekom atau pusat data yang besar, satu penukar DC-DC boleh digunakan untuk menyediakan kuasa pincang terapung untuk bahagian voltan tinggi. Tetapi dalam penyesuai/pengecas, saiz dan kos kaedah ini adalah terlarang.

Litar dipermudah topologi flyback pengapit aktif

Kaedah biasa membekalkan kuasa ke bahagian voltan tinggi ialah apa yang dipanggil bekalan kuasa bootstrap, iaitu, apabila bahagian voltan rendah dihidupkan, kapasitor simpanan tenaga yang dipincang oleh bahagian voltan tinggi dicas ke atas dari bekalan kuasa pincang sisi voltan rendah melalui diod. Apabila bahagian voltan tinggi dibuka, ia akan menarik berat sebelah daripada kapasitor penyimpanan tenaga, dan ia mesti diisi semula dengan kerap (setiap kali bahagian voltan rendah dibuka). Apabila litar berfungsi secara berterusan, ini adalah kaedah yang sangat berkesan dan kos rendah untuk membekalkan kuasa ke bahagian voltan tinggi. Tetapi cabarannya ialah bagaimana untuk beroperasi dalam mod tidak berterusan.

Jadi, bagaimana untuk mengelakkan pemutaran palsu bahagian tinggi apabila kapasitor bootstrap tidak dicas? IC pemacu gerbang am kadangkala termasuk reka bentuk litar pengapit, tetapi kaedah tradisional untuk transistor silikon bergantung pada voltan ambang yang lebih tinggi (seperti 3-4V). Oleh itu, jika litar mula mengapit dalam julat 1-2V, malangnya, mereka memerlukan ratusan ns untuk mula mengapit. Transistor GaN sudah boleh mengalirkan sejumlah besar arus pada voltan get ini.

Untuk mengoptimumkan prestasi pemacu pengapit pantas digabungkan dengan transistor GaN, impedans gangguan antara mereka mesti diminimumkan. Yingling mengguna pakai kaedah menyepadukan transistor GaN sisi tinggi dan sisi rendah (190m?), dan menyepadukannya dengan pemacu separuh jambatan baharu dalam pakej iQFN 8×8mm, sekali gus menjadikan peringkat kuasa bersepadu separuh jambatan (IPS).

Berbanding dengan produk yang kompetitif, kaedah integrasi dan partition ini mempunyai kelebihan 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 mempunyai ciri-ciri yang sangat baik seperti rintangan suhu tinggi, rintangan voltan tinggi, frekuensi tinggi, rintangan kuasa tinggi dan sinaran, dan batasan dalam teknologi dan kos perlahan-lahan lebur. Seterusnya, ia bergantung kepada bagaimana bahagian aplikasi boleh memberikan permainan sepenuhnya kepada kelebihannya melalui ujian peranti, pembangunan pemacu dan padanan komponen persisian.

Penafian: Artikel ini diterbitkan semula daripada "dan eefocus bukan web". Artikel ini hanya mewakili pandangan peribadi pengarang, dan tidak mewakili pandangan Sacco Micro dan industri. Ia hanya untuk mencetak semula dan berkongsi untuk menyokong perlindungan hak harta intelek. Sila nyatakan sumber dan pengarang asal semasa mencetak semula. Jika terdapat sebarang pelanggaran, sila hubungi kami untuk memadamkannya.