Niedawno przeczytałem artykuł profesora Chen Yongzhen z Politechniki Liaoning: „Czy kondensator elektrolityczny dla GaN FET to tylko chwyt marketingowy?” Odczuć jest wiele, więc powstał kondensator elektrolityczny do azotku galu (GaN)FET (tranzystor polowy). Oprócz zmniejszonej objętości, jego pasożytniczej indukcyjności nie można znacznie zmniejszyć, jeśli proces produkcyjny nie uległ znaczącym zmianom, a także ma charakterystykę indukcyjności przy wysokiej częstotliwości przełączania, z dużą ilością wyższych harmonicznych. Dlatego taki kondensator elektrolityczny jest niepotrzebny.

+Rzeczywiście, w momencie wprowadzenia nowej generacji innowacyjnych technologii zawsze będzie błoto i piasek. Jednak wraz z rozwojem technologii wspomagania urządzeń peryferyjnych nowej technologii, jej rola będzie coraz ważniejsza, np. urządzeń zasilających azotku galu. Przyjrzyjmy się, co wielcy producenci kawy w branży powiedzieli ostatnio na temat azotku galu i jakie wnioski mogą nam dać?

GaN stał się katalizatorem energii 5G.

„Pojawienie się azotku galu zaspokoi zapotrzebowanie 5G, umożliwi realizację nowej topologii i całkowicie zmieni szybkie ładowanie” – powiedział Stephen Oliver, wiceprezes ds. marketingu korporacyjnego i relacji inwestorskich w Navitas Semiconductor.

Według danych GSMArena od 2010 roku średni rozmiar ekranu i pojemność baterii nowych platform telefonów komórkowych, takich jak Apple iPhone 12, Xiaomi Mi11 i Samsung S21, wzrosły ponad trzykrotnie. Niedopuszczalne jest stosowanie wolnych, komercyjnych ładowarek silikonowych o mocy 5 W lub 20 W w celu wydłużenia czasu ładowania, dlatego potrzebna jest większa moc.

Jak pokazuje tradycyjna topologia niskich częstotliwości, uzyskanie większej ilości energii z ładowarki krzemowej oznacza większy rozmiar, większą wagę i wyższy koszt, a wąskimi gardłami są konstrukcja gęstości mocy i ciepła.

W ciągu 10 lat rozmiar ekranu i pojemność baterii smartfonów wzrosły ponad 3-krotnie.

Oliver powiedział, że wzrost liczby ekranów smartfonów, baterii i funkcji 5G, a także usprawnienie przetwarzania danych oraz szybkości i pojemności transmisji, sprawiły, że ludzie zaczęli zwracać uwagę na prędkość ładowania oraz rozmiar, wagę i koszt adaptera podróżnego. Jednocześnie wprowadzenie jednej, elastycznej platformy ładowania (sprzęt i oprogramowanie), czyli złącza USB-C (USB-C) lub zasilacza programowalnego (PPS) z przesyłem mocy (USB-PD), powoduje, że konsumenci nie nie polegają już na produktach zasilających dostarczanych przez producentów OEM.

Uważa, że ​​kluczem do poprawy gęstości mocy jest zwiększenie częstotliwości przełączania i zminimalizowanie elementów pasywnych, takich jak transformatory, filtry EMI, kondensatory o dużej pojemności i wyjściowe. Już w 1996 roku społeczność akademicka zaproponowała topologię dużej prędkości, taką jak Active Clamped Flyback (ACF), ale została ona sfrustrowana słabą rezystancją włączenia i wydajnością przełączania, a także złożonością krzemu oraz brakiem optymalnego układu scalonego sterującego.

Na początku 2018 roku wprowadzenie układu scalonego mocy GaN położyło kres tej sytuacji, co nie tylko uczyniło ACF komercyjnym wykonalnym, ale także umożliwiło quasi-rezonansowe ładowanie zwrotne o wysokiej częstotliwości w ładowarkach do smartfonów, a także CrCM (tryb przewodzenia krytycznego ) zwiększenie topologii PFC (korekcja współczynnika mocy), szybki LLC (kontroler rezonansowy) i zaawansowany współczynnik PFC z biegunem totemowym CrCM dla systemów o wyższej mocy, takich jak notebooki do gier, komputery zintegrowane, telewizory i zasilacze do jednostek nadawczych 5G, które są komercyjnie wykonalne.

Układ scalony zasilania GaN integruje tranzystor polowy GaN i sterownik GaN, a także sterowanie i ochronę w jednym układzie. Te układy scalone zasilania GaNFast™ to łatwe w użyciu, szybkie i wydajne cyfrowe komponenty zasilania wejścia i wyjścia. Ponieważ układ sterowania bramką praktycznie nie ma impedancji, straty po jego wyłączeniu po integracji są praktycznie zerowe. Ponadto, charakterystykę otwarcia można kontrolować i dostosowywać do konkretnych wymagań aplikacji.

Jaki jest efekt? Układ scalony mocy GaN działa 20 razy szybciej i 3 razy szybciej niż tradycyjna konstrukcja krzemowa i był używany przez producentów OEM, takich jak Dell, Lenovo i Xiaomi, do szybkiego ładowania smartfonów i laptopów. Jak widać z szybkiej ładowarki OPPO 50W Mini SuperVOOC Cookie, szybka topologia GaN eliminuje elementy pasywne i zmniejsza rozmiar ładowarki. Dzięki kontrolerowi TI UCC28782 i parze układów zasilania GaNFast w konfiguracji półmostkowej, uzyskano wysoką wydajność aktywnego powrotu z 10-krotnie większą prędkością.

Testowanie w trudnych warunkach rynku

图源 |网络

„Dokładne testy napięcia i obciążenia temperaturowego pokazują, że urządzenia zasilające GaN charakteryzują się wysoką niezawodnością wymaganą na rynku motoryzacyjnym i przemysłowym” – powiedział Ron Barr, wiceprezes ds. jakości i niezawodności firmy Transphorm.

Zalety tranzystorów MOSFET GaN o szerokiej przerwie energetycznej (WBG) sprawiają, że odgrywają one coraz ważniejszą rolę w wymagających zastosowaniach, takich jak zasilanie podsystemów zasilania samochodów i centrów danych. Zastosowania te charakteryzują się trudnymi warunkami pracy, a awarie nie są tolerowane ze względu na koszty gwarancji samochodowych lub wysokie koszty związane z niezawodnością centrów danych. Wybierając urządzenia zasilające, inżynierowie projektanci muszą upewnić się, że są one niezawodne, wytrzymałe i trwałe.

Biorąc za przykład wyczerpany GaN HEMT (tranzystor o wysokiej ruchliwości elektronów) TP65H035WSQA zaprojektowany przez Transphorm normalnie wyłączony podwójny układ scalony, GaN HEMT i normalnie wyłączony krzemowy FET niskiego napięcia są połączone szeregowo, tworząc strukturę urządzenia kaskodowego.

Struktura kombinacji symboli Cascode i urządzeń Cascode

Urządzenie jest zapakowane w TO-247 i spełnia normę AEC-Q101 przy 175℃. Oceniając niezawodność produktu, inżynierowie projektujący potrzebują czterech „domen” informacji/danych dotyczących niezawodności, aby określić, czy urządzenie nadaje się do zastosowania, w tym: certyfikacja produktu; Wysoce przyspieszony test żywotności; Test awarii na wczesnym etapie życia; Niezawodność w terenie.

Certyfikacja produktu

Certyfikacja produktów odbywa się głównie zgodnie z dwoma powszechnie obowiązującymi w branży normami. Norma JEDEC JESD 47 jest odpowiednia dla urządzeń komercyjnych, a bardziej rygorystyczna norma AEC-Q101 dla wskaźników pojazdów. Każda norma obejmuje szereg testów, które produkty muszą przejść, takich jak testy cykli temperaturowych, testy polaryzacji zaporowej w wysokiej temperaturze, testy polaryzacji siatki w wysokiej temperaturze itp., aby mogły zostać uznane za spełniające wymagania JEDEC lub Q101.

高加速寿命试验

Wysoko przyspieszony test żywotności (HALT) to dobrze zdefiniowana metoda, to znaczy naprężenie przykładane do urządzenia pod warunkiem, że czasami przekracza ono limit podany w karcie katalogowej, aż do awarii urządzenia. Jednocześnie gromadzone są dane dotyczące czasu do awarii (TTF), dzięki czemu można zastosować odpowiedni model do przewidywania trwałości trwałej (zwanej także trwałością naturalną).

Przy polaryzacji odwrotnej testowano partię urządzeń o napięciu znamionowym 650 V i napięciu od 1050 V do 1150 V w stanie wyłączonym, aż do momentu awarii większości urządzeń. Następnie oblicz średni czas do awarii w każdym zestawie warunków.

图源 | Krawędź

W podobny sposób należy sprawdzić urządzenie pod kątem awarii w trzech różnych temperaturach. W przyspieszonych warunkach testowych uzyskuje się trzy różne napięcia i trzy różne temperatury. Teraz czas niepowodzenia każdego testu jest normalizowany w oparciu o zestaw warunków użytkowania, które zwykle wynikają z podsumowania zadań aplikacji. W przykładzie wybrano zestaw ekstremalnych warunków do obliczenia żywotności urządzenia 650 V 175 ℃ przy 100% cyklu pracy.

Wszystkie dane testowe można połączyć w model, który nazywa się „wykresem użytkowania”. Ten wykres przedstawia prawdopodobieństwo awarii wykreślone w zależności od czasu awarii w warunkach użytkowania.

Powszechną praktyką jest definiowanie trwałości urządzenia, gdy prawdopodobieństwo awarii wynosi 100PPM. W tym przykładzie jest to 106 godzin ciągłej pracy przez 100 lat.

早期失效试验

Wczesny test awarii służy do obliczenia ryzyka gwarancyjnego w aplikacji i sprawdzenia prawdopodobieństwa awarii, zanim urządzenie ulegnie uszkodzeniu. Awarie na wczesnym etapie życia (wskaźnik wczesnych awarii) zwykle powstają w wyniku defektów, które nie zostały wykryte lub nie zostały sprawdzone w procesie produkcyjnym, co jest zwykle nazywane „wadami wewnętrznymi”. W przypadku urządzeń GaN te nieodłączne defekty doprowadzą do zniekształcenia pola elektrycznego i przyspieszonej awarii pozycji defektów.

Aby testy były miarodajne, powinniśmy spróbować przetestować znacznie większą próbkę urządzeń niż opisany wcześniej test HALT, aby zwiększyć prawdopodobieństwo wykrycia defektów wewnętrznych. Metoda ta jest w pełni opisana w standardzie JEDEC JESD 74A, który można pobrać ze strony internetowej JEDEC.

Awarie na wczesnym etapie życia są zwykle obliczane za pomocą FIT (wskaźnik awarii w miliardach godzin) lub PPM/rok. Z danych wynika, że ​​współczynnik FIT jest bardzo niski, co może wskazywać na bardzo dobrą niezawodność pola.

现场可靠性

Obliczenia niezawodności przeprowadzane na miejscu przez firmę Transphorm są zgodne z praktyką branżową i uwzględniają liczbę dostarczonych urządzeń, czas ich użytkowania w terenie oraz liczbę uszkodzonych urządzeń według zgłoszeń klientów. Oczywiście nie wszystkie produkty można dostarczyć i wykorzystać od razu. Aby zachować ostrożność, łączna liczba godzin pracy urządzenia zostanie zmniejszona o połowę. Czas pracy urządzeń Transphorm w terenie to zdecydowanie ponad 7 miliardów godzin. Do tej pory został zwrócony dwukrotnie, a jego niezawodność terenowa jest mniejsza niż 1FIT.

„Testy pokazują, że powyższe urządzenia zasilające GaN przekraczają rygorystyczne wymagania niezawodnościowe producentów OEM z branży motoryzacyjnej i przemysłowej. Niezawodność tych urządzeń GaN jest co najmniej równa niezawodności istniejących technologii krzemowych i innych technologii szerokopasmowych, a często jest lepsza” – podsumował z przekonaniem Barr.

GaN 栅极驱动的新要求

图源 | Pinteresta

„Niski pobór mocy GaN to kolejny rewolucyjny krok, który otworzy nową erę w zastosowaniach energoelektroniki. Jednak stosując nową technologię tranzystorów mocy należy zwrócić uwagę na pewne problemy” – Eric Persson, starszy główny inżynier firmy Infineon Technologia, zauważył.

Przełącznik zasilania odgrywa ważną rolę w poprawie wydajności, gęstości i kosztu adaptera. Tradycyjnie tranzystory mocy stosowane jako przełączniki są oparte na krzemie, a trend wyraźnie pokazuje, że tranzystory o szerokim paśmie wzbronionym, zwłaszcza GaN, stają się standardem w adapterach o wysokiej wydajności i małych rozmiarach.

Patrząc wstecz na rozwój technologii tranzystorów mocy, do dziś krzemowy tranzystor SJ (super złącze) był główną technologią tranzystorową stosowaną w ładowarkach/adapterach. Może zapewnić niską rezystancję włączenia, doskonałą zdolność przenoszenia prądu, proste sterowanie bramką i sprawdzoną niezawodność w małym pakiecie, a wszystko to jest tanie.

Jednakże, biorąc pod uwagę szeroki zakres napięć wymagany przez adapter oraz przepięcia spowodowane indukcyjnością rozproszenia i przepięciami piorunowymi, nawet tranzystory 650 V często nie wystarczą i wymagają urządzeń o napięciu 700–800 V. I to jest jeden aspekt, w którym GaN ma oczywistą przewagę nad krzemem. Ponieważ gdy przyłożone napięcie przekroczy napięcie znamionowe, tranzystor krzemowy przejdzie w stan przebicia lawinowego. Niektóre projekty wykorzystują efekt Zenera jako bufor do tłumienia stanów przejściowych przepięcia. Jednakże, nawet jeśli energia znajduje się w bezpiecznym obszarze roboczym (SOA) tranzystora, metoda ta zwiększy straty mocy i może prowadzić do dodatkowych niepożądanych zakłóceń elektromagnetycznych (EMI). Ponadto duża ilość energii generowanej przez przepięcie może przekroczyć energię lawinową i uszkodzić tranzystor.

Wręcz przeciwnie, napięcie znamionowe tranzystora GaN jest znacznie niższe niż jego rzeczywiste napięcie przebicia niszczącego. Napięcie znamionowe tranzystora opiera się na określonych warunkach zastosowania, aby spełnić poziom niezawodności wymagany dla żywotności urządzenia. Na przykład HEMT typu E firmy Coolgan 600 V ma zwykle niszczące napięcie przebicia większe niż 1000 V, a jego napięcie znamionowe impulsu wynosi 750 V w różnych warunkach. W doskonałej topologii dopasowującej ACF, energia upływu jest zarządzana przez obwód rezonansowy, a wysokie napięcie impulsowe GaN może regulować napięcie udarowe pioruna.

Kluczem do zastosowania tranzystora GaN jest to, że wymagania dotyczące napędu bramki różnią się od wymagań tranzystora krzemowego. Ważną różnicą jest to, że napięcie progowe i całkowite napięcie bramki (VGS) GaN są znacznie niższe niż w przypadku tranzystorów krzemowych. Chociaż zmniejsza to ładunek bramki, może również stwarzać problemy w utrzymaniu tranzystora wyłączonego. W obwodzie ACF dwa tranzystory są skonfigurowane jako półmostki, główny wyłącznik znajduje się na dole, a aktywne zaciski służą jako przełącznik po stronie wysokiego napięcia. Kontroler i sterownik tranzystora low-side są zasilane przez zasilacz polaryzacyjny. Ale sterownik bramki typu high-side potrzebuje pływającego źródła zasilania. W przypadku zasilania dużych sieci telekomunikacyjnych lub centrów danych można zastosować pojedynczą przetwornicę DC-DC, aby zapewnić moc polaryzacji płynnej dla strony wysokiego napięcia. Jednak w przypadku adaptera/ładowarki rozmiar i koszt tej metody są zaporowe.

Uproszczony obwód z topologią aktywnego zacisku typu flyback

Powszechną metodą zasilania strony wysokiego napięcia jest tzw. zasilanie bootstrapowe, czyli po włączeniu strony niskiego napięcia, kondensator magazynujący energię, polaryzowany przez stronę wysokiego napięcia, jest ładowany w górę z zasilacza polaryzacji strony niskiego napięcia poprzez diodę. Po otwarciu strony wysokiego napięcia, kondensator pobiera napięcie z kondensatora magazynującego energię, który musi być regularnie uzupełniany (za każdym razem, gdy strona niskiego napięcia jest otwierana). W przypadku pracy ciągłej układu jest to bardzo skuteczna i tania metoda zasilania strony wysokiego napięcia. Wyzwaniem jest jednak praca w trybie nieciągłym.

Jak więc uniknąć fałszywego włączenia strony wysokiego napięcia, gdy kondensator ładowania początkowego nie jest naładowany? Ogólny układ scalony sterownika bramki czasami zawiera konstrukcję obwodu zaciskowego, ale tradycyjna metoda w przypadku tranzystorów krzemowych opiera się na wyższym napięciu progowym (takim jak 3-4 V). Zatem jeśli obwody zaczną się zaciskać w zakresie 1-2V to niestety potrzebują setek ns aby zacząć zaciskanie. Tranzystory GaN mogą już przewodzić dużą ilość prądu przy tych napięciach bramki.

Aby zoptymalizować wydajność szybkiego sterownika zaciskowego połączonego z tranzystorem GaN, impedancja interferencyjna między nimi musi zostać zminimalizowana. Yingling stosuje metodę integracji tranzystorów GaN (190 μΩ) po stronie wysokiej i niskiej, a następnie integruje je z nowym sterownikiem półmostkowym w obudowie iQFN 8×8 mm, tworząc w ten sposób półmostkowy zintegrowany stopień mocy (IPS).

W porównaniu z konkurencyjnymi produktami ta metoda integracji i podziału ma następujące zalety:

Napisz na końcu

发挥优势的时刻已经到来

Półprzewodniki trzeciej generacji, reprezentowane przez azotek galu i węglik krzemu, mają doskonałe właściwości, takie jak odporność na wysoką temperaturę, odporność na wysokie napięcie, wysoką częstotliwość, wysoką moc i odporność na promieniowanie, a ograniczenia technologiczne i kosztowe powoli znikają. Następnie zależy to od tego, w jaki sposób strona aplikacji może w pełni wykorzystać swoje zalety poprzez testowanie urządzeń, opracowywanie sterowników i dopasowywanie komponentów peryferyjnych.

Zastrzeżenie: Ten artykuł jest reprodukcją z „eefocusa” i spoza sieci. Ten artykuł przedstawia wyłącznie osobiste poglądy autora i nie reprezentuje poglądów Sacco Micro ani branży. Służy wyłącznie do ponownego drukowania i udostępniania w celu wspierania ochrony praw własności intelektualnej. Przy przedruku proszę podać oryginalne źródło i autora. Jeśli doszło do naruszenia, skontaktuj się z nami, aby je usunąć.