Gần đây, tôi đọc được bài báo của Giáo sư Chen Yongzhen của Đại học Công nghệ Liêu Ninh, "Có phải tụ điện cho GaN FET chỉ là một mánh lới quảng cáo?" Có rất nhiều cảm xúc nên tụ điện cho gallium nitride (GaN)FET (transistor hiệu ứng trường) đã ra đời. Ngoài khối lượng giảm, độ tự cảm ký sinh của nó không thể giảm đáng kể khi quy trình sản xuất không thay đổi đáng kể và nó có đặc tính điện cảm ở tần số chuyển mạch cao, với nhiều sóng hài cao hơn. Vì vậy, một tụ điện điện phân như vậy là không cần thiết.

+Quả thực, tại thời điểm lặp lại của một thế hệ công nghệ tiên tiến mới, sẽ luôn có bùn và cát. Tuy nhiên, với sự phát triển của công nghệ hỗ trợ ngoại vi của công nghệ mới, vai trò của nó sẽ ngày càng quan trọng hơn, chẳng hạn như các thiết bị cấp nguồn gali nitrit. Hãy cùng xem các hãng sản xuất cà phê lớn trong ngành nói gì về gallium nitride gần đây và họ có thể cho chúng ta bài học gì?

GaN đã trở thành chất xúc tác năng lượng 5G.

Stephen Oliver, phó chủ tịch tiếp thị doanh nghiệp và quan hệ nhà đầu tư tại Navitas Semiconductor cho biết: “Sự xuất hiện của gallium nitride sẽ đáp ứng nhu cầu 5G, hiện thực hóa cấu trúc liên kết mới và thay đổi hoàn toàn việc sạc nhanh”.

Theo dữ liệu do GSMArena công bố, kể từ năm 2010, kích thước màn hình và dung lượng pin trung bình của các nền tảng điện thoại di động mới như Apple iPhone 12, Xiaomi Mi11 và Samsung S21 đã tăng hơn ba lần. Việc sử dụng bộ sạc thương mại 5W hoặc 20W gốc silicon chậm để kéo dài thời gian sạc là điều không thể chấp nhận được, do đó cần nhiều năng lượng hơn.

Như cấu trúc liên kết tần số thấp truyền thống cho thấy, việc nhận được nhiều năng lượng hơn từ bộ sạc silicon đồng nghĩa với việc kích thước lớn hơn, trọng lượng nặng hơn và chi phí cao hơn, đồng thời việc thiết kế mật độ năng lượng và mật độ nhiệt là những trở ngại.

Trong vòng 10 năm, kích thước màn hình và dung lượng pin của điện thoại thông minh đã tăng hơn 3 lần.

Oliver cho biết, sự gia tăng của màn hình điện thoại thông minh, pin và các chức năng 5G, cũng như việc nâng cao khả năng và tốc độ xử lý, truyền dữ liệu, khiến mọi người chú ý đến tốc độ sạc cũng như kích thước, trọng lượng và giá thành của bộ chuyển đổi du lịch. Đồng thời, việc giới thiệu một nền tảng sạc (phần cứng và phần mềm) duy nhất, linh hoạt, cụ thể là đầu nối USB-C (USB-C) hoặc bộ nguồn có thể lập trình (PPS) với khả năng truyền tải điện (USB-PD), đồng nghĩa với việc người tiêu dùng không còn phụ thuộc vào các sản phẩm điện do OEM cung cấp.

Ông tin rằng chìa khóa để cải thiện mật độ năng lượng là tăng tần số chuyển mạch và giảm thiểu các thành phần thụ động như máy biến áp, bộ lọc EMI, công suất lớn và tụ điện đầu ra. Ngay từ năm 1996, một cấu trúc liên kết tốc độ cao như Active Kẹp Flyback (ACF) đã được cộng đồng học thuật đề xuất, nhưng nó đã gây thất vọng vì hiệu suất chuyển mạch và điện trở kém cũng như độ phức tạp của silicon cũng như việc thiếu IC điều khiển tối ưu.

Vào đầu năm 2018, sự ra đời của IC nguồn GaN đã chấm dứt tình trạng này, điều này không chỉ giúp ACF khả thi về mặt thương mại mà còn giúp sạc ngược bán cộng hưởng tần số cao cho bộ sạc điện thoại thông minh, cũng như CrCM (chế độ dẫn điện quan trọng). ) tăng cường cấu trúc liên kết PFC (hiệu chỉnh hệ số công suất), LLC (bộ điều khiển cộng hưởng) tốc độ cao và PFC cực vật tổ CrCM tiên tiến cho các hệ thống có công suất cao hơn như máy tính xách tay chơi game, PC tích hợp, TV và bộ nguồn bộ phát 5G khả thi về mặt thương mại.

IC nguồn GaN tích hợp FET nguồn GaN và trình điều khiển GaN cùng với chức năng điều khiển và bảo vệ trong một gói chip duy nhất. IC nguồn GaNFast® này là linh kiện cung cấp nguồn kỹ thuật số đầu vào và đầu ra dễ sử dụng, tốc độ cao và hiệu suất cao. Do mạch điều khiển cổng về cơ bản không có trở kháng, nên gần như không bị mất mát khi tắt sau khi tích hợp. Ngoài ra, hiệu suất mở có thể được điều khiển và tùy chỉnh theo yêu cầu ứng dụng cụ thể.

Hiệu quả là gì? IC nguồn GaN chạy nhanh hơn 20 lần và cao hơn 3 lần so với thiết kế silicon truyền thống và được các OEM như Dell, Lenovo và Xiaomi sử dụng để sạc nhanh điện thoại thông minh và máy tính xách tay. Như có thể thấy từ Bộ sạc nhanh Cookie OPPO 50W Mini SuperVOOC, cấu trúc liên kết GaN tốc độ cao giúp loại bỏ các thành phần thụ động và giảm kích thước của bộ sạc. Với bộ điều khiển TI UCC28782 và một cặp ic nguồn GaNFast cấu hình nửa cầu, flyback kẹp hoạt động hiệu suất cao với tốc độ nhanh hơn 10 lần được thực hiện.

Thử nghiệm dưới nhu cầu thị trường khắc nghiệt

图源 |网络

Ron Barr, phó chủ tịch phụ trách chất lượng và độ tin cậy của Transphorm cho biết: “Các thử nghiệm căng thẳng về điện áp và nhiệt độ cẩn thận cho thấy các thiết bị điện GaN có độ tin cậy cao theo yêu cầu của thị trường ô tô và công nghiệp”.

Ưu điểm của MOSFET công suất GaN khoảng cách băng rộng (WBG) khiến nó đóng vai trò ngày càng quan trọng trong những trường hợp đòi hỏi khắt khe như hệ thống phụ nguồn điện ô tô và nguồn điện cho trung tâm dữ liệu. Các ứng dụng này có điều kiện làm việc khó khăn và không thể chấp nhận được lỗi do chi phí bảo hành ô tô hoặc chi phí cao liên quan đến độ tin cậy của trung tâm dữ liệu. Khi lựa chọn các thiết bị điện, kỹ sư thiết kế phải chắc chắn rằng chúng đáng tin cậy, chắc chắn và bền bỉ.

Lấy GaN HEMT (bóng bán dẫn có độ linh động điện tử cao) TP65H035WSQA được thiết kế bởi chip kép tắt bình thường của Transphorm làm ví dụ, GaN HEMT và FET silicon điện áp thấp thường tắt được kết nối nối tiếp để tạo thành cấu trúc thiết bị cascode.

Ký hiệu Cascode và cấu trúc kết hợp thiết bị cascode

Thiết bị được đóng gói trong TO-247 và đáp ứng tiêu chuẩn AEC-Q101 ở 175oC. Khi đánh giá độ tin cậy của sản phẩm, các kỹ sư thiết kế cần có XNUMX “miền” thông tin/dữ liệu về độ tin cậy để xác định xem thiết bị có phù hợp để ứng dụng hay không, bao gồm: chứng nhận sản phẩm; Kiểm tra cuộc sống tăng tốc cao; Thử nghiệm thất bại đầu đời; Độ tin cậy hiện trường.

sản phẩm được chứng nhận

Chứng nhận sản phẩm chủ yếu tuân theo hai tiêu chuẩn phổ biến trong ngành. JEDEC JESD 47 phù hợp với các thiết bị thương mại, và tiêu chuẩn AEC-Q101 nghiêm ngặt hơn phù hợp với các thiết bị đo lường trên xe. Mỗi tiêu chuẩn đều có một loạt các bài kiểm tra mà sản phẩm phải vượt qua, chẳng hạn như chu kỳ nhiệt độ, phân cực ngược nhiệt độ cao, phân cực lưới nhiệt độ cao, v.v., để các sản phẩm đó có thể được coi là đạt tiêu chuẩn JEDEC hoặc Q101.

高加速寿命试验

Kiểm tra tuổi thọ tăng tốc cao (HALT) là một phương pháp được xác định rõ ràng, tức là áp lực lên thiết bị với điều kiện đôi khi nó vượt quá giới hạn của bảng dữ liệu cho đến khi thiết bị bị hỏng. Đồng thời, dữ liệu về thời gian hư hỏng (TTF) được thu thập để có thể áp dụng mô hình phù hợp nhằm dự đoán tuổi thọ bền (còn gọi là tuổi thọ vốn có).

Trong điều kiện phân cực ngược, một lô thiết bị có điện áp định mức 650V có điện áp từ 1050V đến 1150V ở trạng thái tắt đã được thử nghiệm cho đến khi hầu hết các thiết bị đều hỏng. Sau đó tính thời gian trung bình đến khi hỏng theo từng tập hợp điều kiện.

图源 | The Verge

Theo cách tương tự, thiết bị phải được kiểm tra lỗi ở ba nhiệt độ khác nhau. Ba điện áp khác nhau và ba nhiệt độ khác nhau thu được trong điều kiện thử nghiệm tăng tốc. Bây giờ, thời gian thất bại của mỗi thử nghiệm được chuẩn hóa theo một tập hợp các điều kiện sử dụng, thường được lấy từ bản tóm tắt tác vụ ứng dụng. Trong ví dụ này, một tập hợp các điều kiện khắc nghiệt được chọn để tính toán tuổi thọ của thiết bị 650V 175oC với chu kỳ hoạt động 100%.

Tất cả dữ liệu thử nghiệm có thể được kết hợp trong một mô hình được gọi là "biểu đồ sử dụng". Biểu đồ này cho thấy xác suất hư hỏng được vẽ theo thời gian hư hỏng trong các điều kiện sử dụng.

Thực tiễn phổ biến là xác định tuổi thọ của thiết bị khi xác suất hỏng hóc là 100PPM. Trong ví dụ này là 106 giờ hoạt động liên tục trong 100 năm.

早期失效试验

Kiểm tra lỗi sớm được sử dụng để tính toán rủi ro bảo hành trong ứng dụng và kiểm tra xác suất lỗi trước khi thiết bị bị hỏng. Thất bại sớm (tỷ lệ thất bại sớm) thường xảy ra do các khuyết tật không được tìm thấy hoặc sàng lọc trong quá trình sản xuất, thường được gọi là "khiếm khuyết bên trong". Trong trường hợp của thiết bị GaN, những khiếm khuyết cố hữu này sẽ dẫn đến hiện tượng méo điện trường và khiến các vị trí khiếm khuyết bị hỏng nhanh hơn.

Để thử nghiệm có ý nghĩa, chúng ta nên thử nghiệm trên một mẫu thiết bị lớn hơn nhiều so với thử nghiệm HALT đã mô tả trước đó, nhằm tăng khả năng phát hiện các khuyết tật nội tại. Phương pháp sử dụng được mô tả đầy đủ trong tiêu chuẩn JEDEC JESD 74A, có thể tải xuống trên trang web của JEDEC.

Thất bại sớm trong đời thường được tính bằng FIT (Tỷ lệ thất bại hàng tỷ giờ) hoặc PPM/năm. Dữ liệu cho thấy tỷ lệ FIT rất thấp, điều này có thể cho thấy độ tin cậy hiện trường rất tốt.

现场可靠性

Tính toán độ tin cậy tại chỗ của Transphorm tuân theo thông lệ của ngành và tính đến số lượng thiết bị được giao, thời gian sử dụng tại hiện trường và số lượng thiết bị bị lỗi theo báo cáo của khách hàng. Tất nhiên, không phải sản phẩm nào cũng có thể được giao hoặc sử dụng ngay. Để thận trọng, tổng số giờ sử dụng thiết bị sẽ giảm đi một nửa. Thời gian hoạt động của các thiết bị của Transphorm tại hiện trường là hơn 7 tỷ giờ. Cho đến nay, nó đã được trả lại hai lần và độ tin cậy trường của nó nhỏ hơn 1FIT.

“Các thử nghiệm cho thấy các thiết bị điện GaN ở trên vượt quá các yêu cầu về độ tin cậy đầy thách thức của các OEM ô tô và công nghiệp. Độ tin cậy của các thiết bị GaN này ít nhất tương đương với độ tin cậy của silicon hiện có và các công nghệ băng thông rộng khác, và nó thường tốt hơn”, Barr tự tin kết luận.

GaN栅极驱动的新要求

图源 | Pinterest

"GaN tiêu thụ điện năng thấp là bước cách mạng tiếp theo, sẽ mở ra kỷ nguyên mới cho các ứng dụng điện tử công suất. Tuy nhiên, một số vấn đề cần lưu ý khi sử dụng công nghệ bóng bán dẫn điện mới", Eric Persson, kỹ sư trưởng cấp cao của Infineon Công nghệ, chỉ ra.

Công tắc nguồn đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện hiệu suất, mật độ và giá thành của bộ chuyển đổi. Theo truyền thống, các bóng bán dẫn điện được sử dụng làm công tắc đều dựa trên silicon và xu hướng này cho thấy rõ ràng rằng các bóng bán dẫn có dải thông rộng, đặc biệt là GaN, đang trở thành tiêu chuẩn của các bộ điều hợp kích thước nhỏ và hiệu suất cao.

Nhìn lại quá trình phát triển của công nghệ bóng bán dẫn điện, cho đến ngày nay, bóng bán dẫn silicon SJ (siêu tiếp nối) là công nghệ bóng bán dẫn chính được sử dụng trong bộ sạc/bộ chuyển đổi. Nó có thể mang lại điện trở thấp, khả năng xử lý dòng điện tuyệt vời, dẫn động cổng đơn giản và độ tin cậy đã được chứng minh theo thời gian trong một gói nhỏ, tất cả đều có chi phí thấp.

Tuy nhiên, xét đến dải điện áp rộng mà bộ chuyển đổi yêu cầu và quá điện áp nhất thời do rò rỉ điện cảm và đột biến sét, ngay cả bóng bán dẫn 650V thường không đủ, cần có thiết bị 700-800V. Và đây là một khía cạnh mà GaN có lợi thế rõ ràng so với silicon. Bởi vì, khi điện áp đặt vào vượt quá điện áp định mức, bóng bán dẫn silicon sẽ chuyển sang trạng thái đánh thủng do tuyết lở. Một số thiết kế sử dụng hiệu ứng Zener làm bộ đệm để triệt tiêu quá điện áp thoáng qua. Tuy nhiên, ngay cả khi năng lượng nằm trong vùng làm việc an toàn (SOA) của bóng bán dẫn, phương pháp này sẽ làm tăng tổn thất điện năng và có thể dẫn đến thêm EMI (nhiễu điện từ) không mong muốn. Ngoài ra, một lượng lớn năng lượng được tạo ra bởi sự đột biến có thể vượt quá năng lượng tuyết lở và làm hỏng bóng bán dẫn.

Ngược lại, điện áp định mức của bóng bán dẫn GaN thấp hơn nhiều so với điện áp đánh thủng thực tế của nó. Điện áp định mức của bóng bán dẫn dựa trên các điều kiện ứng dụng đã chỉ định để đáp ứng mức độ tin cậy cần thiết cho tuổi thọ của thiết bị. Ví dụ, HEMT loại E của coolgan 600v thường có điện áp đánh thủng lớn hơn 1000V và định mức điện áp xung của nó là 750V trong các điều kiện khác nhau. Trong cấu trúc liên kết kết hợp ACF hoàn hảo, năng lượng rò rỉ được quản lý bởi mạch cộng hưởng và định mức điện áp xung cao của GaN có thể điều chỉnh điện áp xung sét.

Chìa khóa cho ứng dụng của bóng bán dẫn GaN là các yêu cầu về ổ đĩa cổng của nó khác với yêu cầu của bóng bán dẫn silicon. Một điểm khác biệt quan trọng là ngưỡng và điện áp nguồn cổng toàn phần (VGS) của GaN thấp hơn đáng kể so với điện áp của bóng bán dẫn silicon. Mặc dù điều này làm giảm điện tích cổng nhưng nó cũng có thể đặt ra những thách thức trong việc tắt bóng bán dẫn. Trong mạch ACF, hai bóng bán dẫn được cấu hình như một nửa cầu nối, công tắc chính ở phía dưới và kẹp hoạt động được sử dụng làm công tắc phía cao. Và bộ điều khiển và trình điều khiển bóng bán dẫn phía thấp được cấp nguồn bằng nguồn điện phân cực. Nhưng bộ điều khiển cổng bên cao cần có nguồn điện nổi. Trong nguồn cung cấp điện cho trung tâm dữ liệu hoặc viễn thông lớn, một bộ chuyển đổi DC-DC duy nhất có thể được sử dụng để cung cấp năng lượng phân cực nổi cho phía điện áp cao. Nhưng đối với bộ đổi nguồn/bộ sạc, kích thước và giá thành của phương pháp này rất cao.

Mạch đơn giản hóa cấu trúc liên kết flyback kẹp hoạt động

Một phương pháp phổ biến để cung cấp năng lượng cho phía điện áp cao là cái gọi là cung cấp năng lượng bootstrap, nghĩa là khi phía điện áp thấp được bật, tụ điện lưu trữ năng lượng bị phân cực bởi phía điện áp cao sẽ được tích điện lên từ phía điện áp cao. cung cấp điện phân cực phía điện áp thấp thông qua một diode. Khi phía điện áp cao được mở ra, nó sẽ hút điện áp từ tụ điện lưu trữ năng lượng và nó phải được bổ sung thường xuyên (mỗi khi mở phía điện áp thấp). Khi mạch hoạt động liên tục, đây là phương pháp rất hiệu quả và chi phí thấp để cung cấp điện cho phía điện áp cao. Nhưng thách thức là làm thế nào để vận hành ở chế độ không liên tục.

Vậy làm thế nào để tránh hiện tượng bật nhầm phía cao khi tụ điện bootstrap không được tích điện? IC điều khiển cổng chung đôi khi bao gồm một thiết kế mạch kẹp, nhưng phương pháp truyền thống dành cho bóng bán dẫn silicon dựa vào điện áp ngưỡng cao hơn (chẳng hạn như 3-4V). Do đó, nếu các mạch bắt đầu kẹp trong phạm vi 1-2V thì thật không may, chúng cần hàng trăm ns để bắt đầu kẹp. Các bóng bán dẫn GaN đã có thể dẫn một lượng lớn dòng điện ở các điện áp cổng này.

Để tối ưu hóa hiệu suất của bộ điều khiển kẹp nhanh kết hợp với transistor GaN, trở kháng nhiễu giữa chúng phải được giảm thiểu. Yingling áp dụng phương pháp tích hợp transistor GaN phía cao và phía thấp (190m?), và tích hợp chúng với bộ điều khiển bán cầu mới trong gói iQFN 8x8mm, tạo thành tầng công suất tích hợp bán cầu (IPS).

So với các sản phẩm cạnh tranh, phương pháp tích hợp và phân vùng này có những ưu điểm sau:

Viết ở cuối

发挥优势的时刻已经到来

Chất bán dẫn thế hệ thứ ba được đại diện bởi gallium nitride và silicon cacbua có các đặc tính tuyệt vời như khả năng chịu nhiệt độ cao, điện áp cao, tần số cao, công suất cao và khả năng chống bức xạ, đồng thời những hạn chế về công nghệ và chi phí đang dần biến mất. Tiếp theo, nó phụ thuộc vào cách phía ứng dụng có thể phát huy hết lợi thế của mình thông qua thử nghiệm thiết bị, phát triển trình điều khiển và khớp thành phần ngoại vi.

Tuyên bố miễn trừ trách nhiệm: Bài viết này được sao chép từ "và eefocus không phải trên web". Bài viết này chỉ thể hiện quan điểm cá nhân của tác giả, không thể hiện quan điểm của Sacco Micro và ngành. Nó chỉ dành cho việc in lại và chia sẻ để hỗ trợ việc bảo vệ quyền sở hữu trí tuệ. Vui lòng ghi rõ nguồn và tác giả khi tái bản. Nếu có vi phạm vui lòng liên hệ với chúng tôi để xóa.