Kürzlich habe ich den Artikel von Professor Chen Yongzhen von der Technischen Universität Liaoning gelesen: „Ist der Elektrolytkondensator für GaN-FET nur eine Spielerei?“ Es gibt viele Gefühle und so entstand der Elektrolytkondensator für Galliumnitrid (GaN)FET (Feldeffekttransistor). Abgesehen von seinem verringerten Volumen kann seine parasitäre Induktivität nicht wesentlich reduziert werden, wenn sich der Herstellungsprozess nicht wesentlich geändert hat, und es weist Induktivitätseigenschaften bei hoher Schaltfrequenz mit zahlreichen höheren Harmonischen auf. Daher ist ein solcher Elektrolytkondensator unnötig.

+Tatsächlich wird es im Moment der Iteration einer neuen Generation innovativer Technologien immer Schlamm und Sand geben. Mit der Entwicklung der peripheren Unterstützungstechnologie neuer Technologien wird ihre Rolle jedoch immer wichtiger, beispielsweise Galliumnitrid-Leistungsgeräte. Werfen wir einen Blick darauf, was die großen Kaffeemaschinen der Branche in letzter Zeit über Galliumnitrid gesagt haben, und welche Lehren können sie uns daraus ziehen?

GaN ist zu einem 5G-Energiekatalysator geworden.

„Das Aufkommen von Galliumnitrid wird den Bedarf von 5G decken, eine neue Topologie verwirklichen und das Schnellladen völlig verändern“, sagte Stephen Oliver, Vizepräsident für Unternehmensmarketing und Investor Relations bei Navitas Semiconductor.

Laut den von GSMArena veröffentlichten Daten haben sich seit 2010 die durchschnittliche Bildschirmgröße und die Akkukapazität neuer Mobiltelefonplattformen wie Apple iPhone 12, Xiaomi Mi11 und Samsung S21 um mehr als das Dreifache erhöht. Es ist nicht akzeptabel, langsame, handelsübliche 5-W- oder 20-W-Ladegeräte auf Siliziumbasis zu verwenden, um die Ladezeit zu verlängern, sodass mehr Leistung benötigt wird.

Wie die traditionelle Niederfrequenztopologie zeigt, bedeutet die Gewinnung von mehr Energie aus dem Siliziumladegerät eine größere Größe, ein höheres Gewicht und höhere Kosten, und das Design der Leistungsdichte und der Wärmedichte stellt Engpässe dar.

Innerhalb von 10 Jahren haben sich die Bildschirmgröße und die Akkukapazität von Smartphones um mehr als das Dreifache erhöht.

Oliver sagte, dass die Zunahme von Smartphone-Bildschirmen, Akkus und 5G-Funktionen sowie die Verbesserung der Datenverarbeitungs- und Übertragungsrate und -kapazität die Menschen dazu veranlasst hätten, auf die Ladegeschwindigkeit sowie die Größe, das Gewicht und die Kosten des Reiseadapters zu achten. Gleichzeitig führt die Einführung einer einzigen, flexiblen Ladeplattform (Hardware und Software), nämlich USB-C-Anschluss (USB-C) oder programmierbares Netzteil (PPS) mit Stromübertragung (USB-PD), dazu, dass Verbraucher keine Verlassen Sie sich nicht mehr auf Stromversorgungsprodukte von OEMs.

Er glaubt, dass der Schlüssel zur Verbesserung der Leistungsdichte in der Erhöhung der Schaltfrequenz und der Minimierung passiver Komponenten wie Transformatoren, EMI-Filter, großer Kapazität und Ausgangskondensatoren liegt. Bereits 1996 wurde von der akademischen Gemeinschaft eine Hochgeschwindigkeitstopologie wie Active Clamped Flyback (ACF) vorgeschlagen, die jedoch aufgrund des schlechten Einschaltwiderstands und der Schaltleistung sowie der Komplexität von Silizium und dem Fehlen eines optimalen Steuerungs-ICs scheiterte.

Anfang 2018 setzte die Einführung des GaN-Leistungs-ICs dieser Situation ein Ende, was nicht nur ACF kommerziell nutzbar machte, sondern auch das hochfrequente quasi-resonante Flyback-Laden von Smartphone-Ladegeräten sowie CrCM (Critical Conduction Mode) ermöglichte ) Boost-PFC-Topologie (Leistungsfaktorkorrektur), Hochgeschwindigkeits-LLC (Resonanzregler) und fortschrittliche CrCM-Totem-Pole-PFC für Systeme mit höherer Leistung wie Gaming-Notebooks, integrierte PCs, Fernseher und Netzteile für 5G-Sendeeinheiten, die kommerziell realisierbar sind.

GaN-Leistungs-ICs integrieren GaN-Leistungs-FET und GaN-Treiber sowie Steuerung und Schutz in einem Chipgehäuse. Diese GaNFast®-Stromversorgungs-ICs sind benutzerfreundliche, schnelle und leistungsstarke digitale Ein- und Ausgangsstromversorgungskomponenten. Da die Gate-Ansteuerungsschaltung grundsätzlich keine Impedanz aufweist, entstehen beim Abschalten nach der Integration nahezu keine Verluste. Darüber hinaus kann das Öffnungsverhalten gesteuert und an spezifische Anwendungsanforderungen angepasst werden.

Was ist der Effekt? Der GaN-Leistungs-IC läuft 20-mal schneller und dreimal schneller als herkömmliche Silizium-Designs und wird von OEMs wie Dell, Lenovo und Xiaomi zum schnellen Aufladen von Smartphones und Laptops verwendet. Wie am OPPO 3W Mini SuperVOOC Cookie-Schnellladegerät zu sehen ist, eliminiert die Hochgeschwindigkeits-GaN-Topologie passive Komponenten und reduziert die Größe des Ladegeräts. Mit dem UCC50-Controller von TI und einem Paar GaNFast-Leistungs-ICs in Halbbrückenkonfiguration wird ein hocheffizienter Active-Clamp-Flyback mit zehnmal schnellerer Geschwindigkeit realisiert.

Tests unter starker Marktnachfrage

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„Sorgfältige Spannungs- und Temperaturbelastungstests zeigen, dass GaN-Leistungsgeräte eine hohe Zuverlässigkeit aufweisen, die von den Automobil- und Industriemärkten gefordert wird“, sagte Ron Barr, Vizepräsident für Qualität und Zuverlässigkeit von Transphorm.

Die Vorteile von Wide-Band-Gap-(WBG)-GaN-Leistungs-MOSFETs machen sie zu einer immer wichtigeren Komponente in anspruchsvollen Anwendungen wie der Stromversorgung von Automobil-Subsystemen und der Stromversorgung von Rechenzentren. Diese Anwendungen unterliegen anspruchsvollen Arbeitsbedingungen, und Ausfälle können aufgrund der hohen Garantiekosten für Automobile oder der hohen Kosten für die Zuverlässigkeit von Rechenzentren nicht toleriert werden. Bei der Auswahl der Leistungsbauteile müssen Konstrukteure darauf achten, dass diese zuverlässig, robust und langlebig sind.

Am Beispiel des von Transphorm entwickelten selbstsperrenden Dualchips GaN HEMT (High Electron Mobility Transistor) TP65H035WSQA sind der GaN HEMT und ein selbstsperrender Niederspannungs-Silizium-FET in Reihe geschaltet, um eine Kaskodenstruktur zu bilden.

Kaskodensymbol- und Kaskodengerätekombinationsstruktur

Das Gerät ist im TO-247-Gehäuse untergebracht und erfüllt den AEC-Q101-Standard bei 175 °C. Bei der Bewertung der Produktzuverlässigkeit benötigen Konstrukteure vier „Domänen“ von Zuverlässigkeitsinformationen/-daten, um festzustellen, ob das Gerät für die Anwendung geeignet ist, darunter: Produktzertifizierung; Hochbeschleunigter Lebensdauertest; Frühzeitiger Versagenstest; Feldzuverlässigkeit.

Produktzertifizierung

Die Produktzertifizierung erfolgt hauptsächlich nach zwei branchenüblichen Standards. JEDEC JESD 47 eignet sich für kommerzielle Geräte, der strengere AEC-Q101-Standard für Fahrzeugmessgeräte. Jeder Standard sieht eine Reihe von Tests vor, die die Produkte bestehen müssen, wie z. B. Temperaturwechselprüfung, Hochtemperatur-Sperrspannung, Hochtemperatur-Gitterspannung usw., damit sie als JEDEC- oder Q101-zertifiziert gelten.

高加速寿命试验

Der hochbeschleunigte Lebensdauertest (HALT) ist eine genau definierte Methode, das heißt, das Gerät wird unter der Bedingung belastet, dass es manchmal den Grenzwert seines Datenblatts überschreitet, bis das Gerät ausfällt. Gleichzeitig werden Daten über die Zeit bis zum Ausfall (Time to Failure, TTF) erhoben, sodass ein entsprechendes Modell zur Vorhersage der dauerhaften Lebensdauer (auch Eigenlebensdauer genannt) angewendet werden kann.

Unter Sperrvorspannung wurde eine Reihe von Geräten mit einer Nennspannung von 650 V und Spannungen zwischen 1050 V und 1150 V im ausgeschalteten Zustand getestet, bis die meisten Geräte ausfielen. Berechnen Sie dann die durchschnittliche Zeit bis zum Ausfall unter den einzelnen Bedingungen.

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In ähnlicher Weise sollte das Gerät bei drei verschiedenen Temperaturen auf Ausfall getestet werden. Unter beschleunigten Testbedingungen werden drei verschiedene Spannungen und drei verschiedene Temperaturen erhalten. Jetzt wird die Fehlerzeit jedes Tests unter einer Reihe von Nutzungsbedingungen normalisiert, die normalerweise aus der Zusammenfassung der Anwendungsaufgaben abgeleitet werden. Im Beispiel wird eine Reihe extremer Bedingungen ausgewählt, um die Lebensdauer eines 650-V-175-℃-Geräts mit 100 % Einschaltdauer zu berechnen.

Alle Testdaten können in einem Modell zusammengefasst werden, das als „Nutzungsgraph“ bezeichnet wird. Diese Grafik zeigt die Ausfallwahrscheinlichkeit aufgetragen in Abhängigkeit von der Ausfallzeit unter den Nutzungsbedingungen.

Die gängige Praxis besteht darin, die Gerätelebensdauer zu definieren, wenn die Ausfallwahrscheinlichkeit 100 PPM beträgt. In diesem Beispiel sind es 106 Stunden Dauerbetrieb über 100 Jahre.

早期失效试验

Der Frühausfalltest wird verwendet, um das Garantierisiko in der Anwendung zu berechnen und die Ausfallwahrscheinlichkeit zu testen, bevor das Gerät beschädigt wird. Frühzeitiges Versagen (frühzeitige Ausfallrate) entsteht in der Regel aufgrund von Fehlern, die im Herstellungsprozess nicht gefunden oder ausgesondert werden, was üblicherweise als „interne Fehler“ bezeichnet wird. Bei GaN-Geräten führen diese inhärenten Defekte zu einer Verzerrung des elektrischen Feldes und einem beschleunigten Ausfall von Defektpositionen.

Für einen aussagekräftigen Test sollten wir versuchen, eine deutlich größere Geräteprobe zu testen als beim zuvor beschriebenen HALT-Test, um die Wahrscheinlichkeit zu erhöhen, intrinsische Defekte zu finden. Die Vorgehensweise ist im JEDEC-Standard JESD 74A ausführlich beschrieben und auf der JEDEC-Website verfügbar.

Frühzeitiges Versagen wird normalerweise anhand der FIT (Billion Hour Failure Rate) oder PPM/Jahr berechnet. Die Daten zeigen, dass die FIT-Rate sehr niedrig ist, was auf eine sehr gute Feldzuverlässigkeit schließen lässt.

现场可靠性

Die Vor-Ort-Zuverlässigkeitsberechnung von Transphorm folgt der Branchenpraxis und berücksichtigt die Anzahl der gelieferten Geräte, die Einsatzdauer vor Ort und die Anzahl der von Kunden gemeldeten Geräteausfälle. Natürlich können nicht alle Produkte sofort geliefert oder verwendet werden. Um konservativ zu sein, wird die Gesamtzahl der Gerätestunden halbiert. Die Einsatzzeit der Geräte von Transphorm im Feld beträgt weit mehr als 7 Milliarden Stunden. Bisher wurde es zweimal zurückgegeben und seine Feldzuverlässigkeit liegt unter 1FIT.

„Tests zeigen, dass die oben genannten GaN-Leistungsgeräte die anspruchsvollen Zuverlässigkeitsanforderungen von Automobil- und Industrie-OEMs übertreffen. „Die Zuverlässigkeit dieser GaN-Geräte entspricht mindestens der von bestehenden Silizium- und anderen Wide-Bandgap-Technologien und ist oft sogar besser“, schloss Barr zuversichtlich.

GaN栅极驱动的新要求

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„GaN mit geringem Stromverbrauch ist der nächste revolutionäre Schritt, der eine neue Ära für Leistungselektronikanwendungen eröffnen wird. Beim Einsatz der neuen Leistungstransistortechnologie müssen jedoch einige Probleme beachtet werden“, sagt Eric Persson, leitender Chefingenieur von Infineon Technologie, darauf hingewiesen.

Der Netzschalter spielt eine wichtige Rolle bei der Verbesserung der Leistung, Dichte und Kosten des Adapters. Traditionell basieren Leistungstransistoren, die als Schalter verwendet werden, auf Silizium, und der Trend zeigt deutlich, dass Transistoren mit großer Bandlücke, insbesondere GaN, zum Standard für leistungsstarke und kleine Adapter werden.

Wenn man auf die Entwicklung der Leistungstransistortechnologie zurückblickt, war bis heute der Silizium-SJ-Transistor (Super Junction) die hauptsächlich in Ladegeräten/Adaptern verwendete Transistortechnologie. Es bietet einen niedrigen Einschaltwiderstand, eine hervorragende Stromverarbeitungsfähigkeit, eine einfache Gate-Ansteuerung und bewährte Zuverlässigkeit in einem kleinen Gehäuse, und das alles zu geringen Kosten.

Angesichts des großen Spannungsbereichs, den der Adapter erfordert, und der Überspannungstransienten, die durch Streuinduktivität und Blitzstoßtransienten verursacht werden, reichen jedoch selbst 650-V-Transistoren oft nicht aus und erfordern 700-800-V-Geräte. Und das ist ein Aspekt, in dem GaN gegenüber Silizium offensichtliche Vorteile hat. Denn wenn die angelegte Spannung die Nennspannung überschreitet, geht der Siliziumtransistor in den Lawinendurchbruchszustand über. Einige Designs nutzen den Zener-Effekt als Puffer, um Überspannungsspitzen zu unterdrücken. Selbst wenn sich die Energie jedoch im sicheren Arbeitsbereich (SOA) des Transistors befindet, erhöht diese Methode den Leistungsverlust und kann zu zusätzlichen unerwünschten EMI (elektromagnetischen Störungen) führen. Darüber hinaus kann eine große Energiemenge, die durch Überspannungen erzeugt wird, die Lawinenenergie übersteigen und den Transistor beschädigen.

Im Gegenteil, die Nennspannung des GaN-Transistors ist viel niedriger als seine tatsächliche zerstörerische Durchbruchspannung. Die Nennspannung des Transistors basiert auf den spezifizierten Anwendungsbedingungen, um das für die Gerätelebensdauer erforderliche Zuverlässigkeitsniveau zu erreichen. Der E-Typ-HEMT von Coolgan 600 V hat beispielsweise normalerweise eine zerstörerische Durchbruchspannung von mehr als 1000 V und seine Impulsspannungsnennleistung beträgt unter verschiedenen Bedingungen 750 V. In der perfekten ACF-Anpassungstopologie wird die Leckenergie durch den Resonanzkreis verwaltet, und die hohe Impulsspannung von GaN kann die Blitzstoßspannung anpassen.

Der Schlüssel zur Anwendung von GaN-Transistoren liegt darin, dass sich die Gate-Ansteuerungsanforderungen von denen von Siliziumtransistoren unterscheiden. Ein wichtiger Unterschied besteht darin, dass der Schwellenwert und die All-on-Gate-Source-Spannung (VGS) von GaN deutlich niedriger sind als die von Siliziumtransistoren. Obwohl dadurch die Gate-Ladung reduziert wird, kann es auch zu Problemen beim Ausschalten des Transistors kommen. In der ACF-Schaltung sind zwei Transistoren als Halbbrücken konfiguriert, der Hauptschalter befindet sich unten und die aktive Klemme wird als High-Side-Schalter verwendet. Und der Controller und der Low-Side-Transistortreiber werden von einer Vorspannungsversorgung versorgt. Der High-Side-Gate-Treiber benötigt jedoch eine erdfreie Stromversorgung. In der Stromversorgung großer Telekommunikations- oder Rechenzentren kann ein einzelner DC/DC-Wandler verwendet werden, um eine erdfreie Vorspannung für die Hochspannungsseite bereitzustellen. Beim Adapter/Ladegerät sind Größe und Kosten dieser Methode jedoch unerschwinglich.

Vereinfachte Schaltung mit Active-Clamp-Flyback-Topologie

Eine gängige Methode zur Stromversorgung der Hochspannungsseite ist die sogenannte Bootstrap-Stromversorgung. Dabei wird beim Einschalten der Niederspannungsseite der von der Hochspannungsseite vorgespannte Energiespeicherkondensator über eine Diode von der Vorspannungsversorgung der Niederspannungsseite aufgeladen. Beim Öffnen der Hochspannungsseite wird die Vorspannung vom Energiespeicherkondensator bezogen, der regelmäßig (bei jedem Öffnen der Niederspannungsseite) nachgeladen werden muss. Bei Dauerbetrieb der Schaltung ist dies eine sehr effektive und kostengünstige Methode zur Stromversorgung der Hochspannungsseite. Die Herausforderung besteht jedoch darin, den diskontinuierlichen Betrieb zu gewährleisten.

Wie lässt sich also das fälschliche Einschalten der High-Side vermeiden, wenn der Bootstrap-Kondensator nicht geladen ist? Der allgemeine Gate-Treiber-IC umfasst manchmal ein Klemmschaltungsdesign, die herkömmliche Methode für Siliziumtransistoren basiert jedoch auf einer höheren Schwellenspannung (z. B. 3–4 V). Wenn die Schaltkreise daher im Bereich von 1–2 V mit dem Klemmen beginnen, benötigen sie leider Hunderte von ns, um mit dem Klemmen zu beginnen. GaN-Transistoren können bei diesen Gate-Spannungen bereits große Strommengen leiten.

Um die Leistung des Fast-Clamp-Treibers in Kombination mit einem GaN-Transistor zu optimieren, muss die Störimpedanz zwischen ihnen minimiert werden. Yingling integriert High-Side- und Low-Side-GaN-Transistoren (190 m²) und integriert sie mit einem neuen Halbbrückentreiber in einem 8 × 8 mm großen iQFN-Gehäuse. So entsteht eine integrierte Halbbrücken-Leistungsstufe (IPS).

Im Vergleich zu Wettbewerbsprodukten bietet diese Integrations- und Partitionierungsmethode folgende Vorteile:

Schreiben Sie am Ende

发挥优势的时刻已经到来

Die durch Galliumnitrid und Siliziumkarbid repräsentierten Halbleiter der dritten Generation verfügen über hervorragende Eigenschaften wie hohe Temperaturbeständigkeit, hohe Spannungsbeständigkeit, hohe Frequenz, hohe Leistung und Strahlungsbeständigkeit, und die Einschränkungen in Technologie und Kosten verschwinden langsam. Als nächstes kommt es darauf an, wie die Anwendungsseite ihre Vorteile durch Gerätetests, Treiberentwicklung und Anpassung der Peripheriekomponenten voll ausschöpfen kann.

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