Недавно я прочитал статью профессора Чэнь Юнчжэня из Ляонинского технологического университета «Является ли электролитический конденсатор для GaN FET просто уловкой?» Ощущений много, вот и на свет появился электролитический конденсатор на полевом транзисторе из нитрида галлия (GaN). Помимо уменьшенного объема, его паразитная индуктивность не может быть значительно уменьшена, если производственный процесс существенно не изменился, и он имеет характеристики индуктивности при высокой частоте переключения с обилием высших гармоник. Следовательно, такой электролитический конденсатор не нужен.

+Ведь в момент итерации нового поколения инновационных технологий всегда будет грязь и песок. Однако с развитием технологий поддержки периферийных устройств новой технологии ее роль будет становиться все более важной, например, силовые устройства на основе нитрида галлия. Давайте посмотрим, что недавно сказали о нитриде галлия крупные производители кофе в отрасли и какие уроки они могут нам преподать?

GaN стал энергетическим катализатором 5G.

«Появление нитрида галлия удовлетворит потребности 5G, реализует новую топологию и полностью изменит технологию быстрой зарядки», — сказал Стивен Оливер, вице-президент по корпоративному маркетингу и связям с инвесторами Navitas Semiconductor.

Согласно данным, опубликованным GSMArena, с 2010 года средний размер экрана и емкость аккумулятора новых платформ мобильных телефонов, таких как Apple iPhone 12, Xiaomi Mi11 и Samsung S21, увеличились более чем в три раза. Недопустимо использовать медленные коммерческие зарядные устройства на основе кремния мощностью 5 или 20 Вт для увеличения времени зарядки, поэтому требуется большая мощность.

Как показывает традиционная низкочастотная топология, получение большего количества энергии от кремниевого зарядного устройства означает больший размер, больший вес и более высокую стоимость, а расчет плотности мощности и тепловой плотности являются узкими местами.

За 10 лет размер экрана и емкость аккумулятора смартфонов увеличились более чем в 3 раза.

Оливер сказал, что увеличение экрана смартфона, аккумулятора и функций 5G, а также повышение скорости и емкости обработки и передачи данных заставили людей обратить внимание на скорость зарядки, а также на размер, вес и стоимость дорожного адаптера. В то же время внедрение единой гибкой платформы зарядки (аппаратной и программной), а именно разъема USB-C (USB-C) или программируемого источника питания (PPS) с передачей энергии (USB-PD), означает, что у потребителей нет больше не полагаются на силовые продукты, поставляемые OEM.

Он считает, что ключом к повышению удельной мощности является увеличение частоты переключения и минимизация пассивных компонентов, таких как трансформаторы, фильтры электромагнитных помех, конденсаторы большой емкости и выходные конденсаторы. Еще в 1996 году академическое сообщество предложило высокоскоростную топологию, такую ​​​​как Active Clamped Flyback (ACF), но она была разочарована плохим сопротивлением включения и характеристиками переключения, а также сложностью кремния и отсутствием микросхемы оптимального управления.

В начале 2018 года появление силовых ИС GaN положило конец этой ситуации, что не только сделало ACF коммерчески возможным, но и сделало высокочастотную квазирезонансную обратную зарядку зарядного устройства смартфона, а также CrCM (режим критической проводимости). ) топология Boost PFC (коррекция коэффициента мощности), высокоскоростной LLC (резонансный контроллер) и усовершенствованная PFC CrCM для систем с более высокой мощностью, таких как игровые ноутбуки, интегрированные ПК, телевизоры и блоки питания передающих устройств 5G, коммерчески осуществимые.

Силовая ИС на основе GaN объединяет в одном корпусе силовой полевой транзистор GaN и драйвер GaN, а также элементы управления и защиты. Эти ИС питания GaNFast™ представляют собой простые в использовании, высокоскоростные и высокопроизводительные компоненты цифрового ввода и вывода питания. Поскольку схема управления затвором практически не имеет импеданса, потери при её выключении после интеграции практически отсутствуют. Кроме того, характеристики открытия можно контролировать и настраивать в соответствии с требованиями конкретного приложения.

Каков эффект? GaN Power IC работает в 20 раз быстрее и в 3 раза быстрее, чем традиционные кремниевые конструкции, и используется такими OEM-производителями, как Dell, Lenovo и Xiaomi, для быстрой зарядки смартфонов и ноутбуков. Как видно на примере устройства быстрого зарядного устройства OPPO Mini SuperVOOC Cookie мощностью 50 Вт, высокоскоростная топология GaN исключает пассивные компоненты и уменьшает размер зарядного устройства. С помощью контроллера TI UCC28782 и пары полумостовых силовых микросхем GaNFast реализован высокоэффективный обратный ход с активным ограничением и в 10 раз более высокой скоростью.

Тестирование в условиях жесткого рыночного спроса

图源 |网络

«Тщательные испытания напряжения и температуры показывают, что силовые устройства на основе GaN обладают высокой надежностью, необходимой автомобильному и промышленному рынкам», — сказал Рон Барр, вице-президент по качеству и надежности компании Transphorm.

Преимущества силовых GaN-транзисторов с широкой запрещенной зоной (WBG) позволяют им играть все более важную роль в таких сложных случаях, как автомобильные силовые подсистемы и источники питания центров обработки данных. Эти приложения имеют сложные условия работы, и сбои недопустимы из-за затрат на гарантию на автомобиль или высоких затрат, связанных с надежностью центра обработки данных. При выборе силовых устройств инженеры-проектировщики должны быть уверены в их надежности, прочности и долговечности.

Если взять в качестве примера двухкристальный GaN HEMT (транзистор с высокой подвижностью электронов) TP65H035WSQA, разработанный Transphorm, то GaN HEMT и низковольтный кремниевый полевой транзистор GaN соединены последовательно, образуя структуру каскодного устройства.

Структура комбинации каскодного символа и каскодного устройства

Устройство упаковано в TO-247 и соответствует стандарту AEC-Q101 при температуре 175 ℃. При оценке надежности продукта инженерам-конструкторам необходимы четыре «области» информации/данных о надежности, чтобы определить, подходит ли устройство для применения, включая: сертификацию продукта; Сильно ускоренное испытание на долговечность; Тест на неудачу в раннем возрасте; Полевая надежность.

产品认证

Сертификация продукции в основном осуществляется по двум распространённым в отрасли стандартам. Стандарт JEDEC JESD 47 подходит для коммерческих устройств, а более строгий стандарт AEC-Q101 — для автомобильных датчиков. Каждый стандарт предусматривает ряд испытаний, которые должны пройти изделия, таких как циклическое изменение температуры, высокотемпературное обратное смещение, высокотемпературное смещение сетки и т. д., чтобы такие изделия могли считаться сертифицированными по стандартам JEDEC или Q101.

高加速寿命试验

Высокоускоренное испытание на срок службы (HALT) — это четко определенный метод, то есть к устройству прикладывается нагрузка при условии, что она иногда превышает предел, указанный в его паспорте, до тех пор, пока устройство не выйдет из строя. В то же время собираются данные о времени до отказа (TTF), чтобы можно было применить соответствующую модель для прогнозирования длительного срока службы (также называемого собственным сроком службы).

При обратном смещении была протестирована партия устройств с номинальным напряжением 650 В и напряжением от 1050 В до 1150 В в выключенном состоянии, пока большинство устройств не вышли из строя. Затем рассчитайте среднее время до отказа при каждом наборе условий.

图源 | Грань

Аналогичным образом устройство должно быть проверено на отказ при трех разных температурах. В условиях ускоренных испытаний получаются три разных напряжения и три разные температуры. Теперь время сбоя каждого теста нормализуется в соответствии с набором условий использования, которые обычно извлекаются из сводки задач приложения. В этом примере выбран набор экстремальных условий для расчета срока службы устройства 650 В, 175 ℃ и 100% рабочего цикла.

Все тестовые данные можно объединить в модель, которая называется «график использования». На этом графике показана вероятность отказа в зависимости от времени отказа в условиях использования.

Обычной практикой является определение срока службы устройства, когда вероятность отказа составляет 100 PPM. В данном примере это 106 часов непрерывной работы в течение 100 лет.

早期失效试验

Тест на ранний отказ используется для расчета гарантийного риска при применении и проверки вероятности отказа до того, как устройство будет повреждено. Отказы на раннем этапе эксплуатации (частота ранних отказов) обычно возникают из-за дефектов, не обнаруженных или не выявленных в производственном процессе, которые обычно называют «внутренними дефектами». В случае устройств на основе GaN эти присущие дефекты приведут к искажению электрического поля и ускоренному выходу из строя положений дефектов.

Для обеспечения достоверности тестирования следует стремиться к проведению испытаний на выборке устройств, значительно превышающей описанный ранее HALT-тест, чтобы повысить вероятность обнаружения внутренних дефектов. Методика применения подробно описана в стандарте JEDEC JESD 74A, с которым можно ознакомиться на сайте JEDEC.

Отказы на ранних этапах жизни обычно рассчитываются по формуле FIT (частота отказов в миллиард часов) или PPM/год. Данные показывают, что ставка FIT очень низкая, что может указывать на очень хорошую надежность на местах.

现场可靠性

Расчет надежности Transphorm на месте соответствует отраслевой практике и учитывает количество поставленных устройств, продолжительность их использования в полевых условиях и количество устройств, вышедших из строя по сообщениям клиентов. Конечно, не все продукты можно доставить или использовать сразу. Если быть консервативным, общее количество часов работы устройства сократится вдвое. Время работы устройств Transphorm в полевых условиях составляет более 7 миллиардов часов. На данный момент он был возвращен дважды, и его эксплуатационная надежность составляет менее 1FIT.

«Испытания показывают, что вышеупомянутые силовые устройства на основе GaN превосходят сложные требования надежности автомобильных и промышленных OEM-производителей. Надежность этих GaN-устройств как минимум равна надежности существующих кремниевых и других широкозонных технологий, а зачастую и лучше», — уверенно заключил Барр.

GaN 栅极驱动的新要求

图源 | Пинтерест

«Низкое энергопотребление GaN — это следующий революционный шаг, который откроет новую эру для приложений силовой электроники. Однако при использовании новой технологии силовых транзисторов необходимо обратить внимание на некоторые проблемы», — Эрик Перссон, старший главный инженер Infineon. Технология, отметил.

Переключатель питания играет важную роль в повышении производительности, плотности и стоимости адаптера. Традиционно силовые транзисторы, используемые в качестве переключателей, изготавливаются на основе кремния, и эта тенденция ясно показывает, что транзисторы с широкой запрещенной зоной, особенно GaN, становятся стандартом высокопроизводительных и компактных адаптеров.

Оглядываясь назад на развитие технологии силовых транзисторов, можно сказать, что до сегодняшнего дня кремниевый транзистор SJ (суперпереход) был основной транзисторной технологией, используемой в зарядных устройствах/адаптерах. Он может обеспечить низкое сопротивление в открытом состоянии, отличную пропускную способность по току, простоту управления затвором и проверенную временем надежность в небольшом корпусе, и все это при невысокой стоимости.

Однако, учитывая широкий диапазон напряжений, требуемый адаптером, и переходные процессы при перенапряжении, вызванные индуктивностью утечки и переходными процессами грозовых перенапряжений, даже транзисторов на 650 В часто недостаточно, и требуются устройства на 700–800 В. И это один из аспектов, в котором GaN имеет очевидные преимущества перед кремнием. Потому что, когда приложенное напряжение превышает номинальное, кремниевый транзистор перейдет в состояние лавинного пробоя. В некоторых конструкциях эффект Зенера используется в качестве буфера для подавления переходных процессов перенапряжения. Однако даже если энергия находится в безопасной рабочей зоне (SOA) транзистора, этот метод увеличит потери мощности и может привести к дополнительным нежелательным электромагнитным помехам (ЭМП). Кроме того, большое количество энергии, генерируемой в результате скачков напряжения, может превысить энергию лавины и повредить транзистор.

Напротив, номинальное напряжение GaN-транзистора намного ниже его фактического напряжения разрушительного пробоя. Номинальное напряжение транзистора основано на указанных условиях применения и соответствует уровню надежности, необходимому для срока службы устройства. Например, HEMT электронного типа охладителя 600 В обычно имеет разрушительное напряжение пробоя более 1000 В, а его номинальное импульсное напряжение составляет 750 В при различных условиях. В идеальной топологии согласования ACF энергия утечки управляется резонансным контуром, а высокое номинальное импульсное напряжение GaN может регулировать напряжение грозового перенапряжения.

Ключом к применению GaN-транзистора является то, что требования к его управлению затвором отличаются от требований к кремниевому транзистору. Важным отличием является то, что пороговое значение и напряжение «затвор-исток» (VGS) у GaN значительно ниже, чем у кремниевых транзисторов. Хотя это уменьшает заряд затвора, это также может создать проблемы с отключением транзистора. В схеме ACF два транзистора выполнены в виде полумостов, главный ключ находится внизу, а активный зажим используется в качестве переключателя верхнего плеча. А контроллер и драйвер транзистора нижнего плеча питаются от источника питания смещения. Но драйвер верхнего плеча нуждается в плавающем источнике питания. В крупных источниках питания телекоммуникаций или центров обработки данных можно использовать один преобразователь постоянного тока в постоянный ток для обеспечения мощности плавающего смещения на стороне высокого напряжения. А вот в адаптере/зарядном устройстве размеры и стоимость этого метода запредельны.

Упрощенная схема топологии обратного хода с активным ограничением

Распространенным методом подачи питания на сторону высокого напряжения является так называемый бутстрепный источник питания, то есть, когда сторона низкого напряжения включена, конденсатор хранения энергии, смещенный стороной высокого напряжения, заряжается вверх от стороны высокого напряжения. низковольтный источник питания смещения через диод. Когда сторона высокого напряжения открыта, он будет получать смещение от конденсатора хранения энергии, и его необходимо регулярно пополнять (каждый раз, когда открывается сторона низкого напряжения). Когда схема работает непрерывно, это очень эффективный и недорогой способ подачи питания на высоковольтную сторону. Но проблема в том, как работать в прерывистом режиме.

Итак, как избежать ложного включения высокой стороны, когда бутстреп-конденсатор не заряжен? Общая микросхема драйвера затвора иногда включает в себя схему ограничения, но традиционный метод для кремниевых транзисторов основан на более высоком пороговом напряжении (например, 3-4 В). Поэтому, если схемы начинают фиксировать в диапазоне 1-2В, то, к сожалению, им потребуются сотни нс, чтобы начать фиксацию. GaN-транзисторы уже могут проводить большой ток при таких напряжениях на затворе.

Для оптимизации производительности драйвера быстрого ограничения уровня в сочетании с GaN-транзистором необходимо минимизировать их интерференционное сопротивление. Компания Yingling использует метод интеграции GaN-транзисторов верхнего и нижнего плеч (190 мОм) и объединяет их с новым драйвером полумоста в корпусе iQFN размером 8×8 мм, создавая таким образом полумостовой интегрированный силовой каскад (ИПС).

По сравнению с конкурирующими продуктами этот метод интеграции и разделения имеет следующие преимущества:

Напишите в конце

发挥优势的时刻已经到来

Полупроводники третьего поколения, представленные нитридом галлия и карбидом кремния, обладают превосходными характеристиками, такими как устойчивость к высоким температурам, устойчивость к высоким напряжениям, высокая частота, высокая мощность и радиационная стойкость, а ограничения в технологии и стоимости постепенно тают. Далее, это зависит от того, как сторона приложения сможет в полной мере реализовать свои преимущества посредством тестирования устройств, разработки драйверов и сопоставления периферийных компонентов.

Отказ от ответственности: эта статья воспроизведена с сайта «eefocus и не связанного с Интернетом». Эта статья отражает только личную точку зрения автора и не отражает точку зрения Sacco Micro и отрасли. Он предназначен только для перепечатки и распространения в целях защиты прав интеллектуальной собственности. При перепечатке просьба указывать первоисточник и автора. Если есть какие-либо нарушения, пожалуйста, свяжитесь с нами, чтобы удалить их.