Recientemente, leí el artículo del profesor Chen Yongzhen de la Universidad Tecnológica de Liaoning, "¿Es el condensador electrolítico para GaN FET sólo un truco?" Hay muchos sentimientos, por eso surgió el condensador electrolítico para nitruro de galio (GaN)FET (transistor de efecto de campo). Aparte de su volumen reducido, su inductancia parásita no se puede reducir mucho cuando el proceso de fabricación no ha cambiado sustancialmente, y tiene características de inductancia a alta frecuencia de conmutación, con abundantes armónicos más altos. Por tanto, dicho condensador electrolítico es innecesario.

+De hecho, en el momento de iteración de una nueva generación de tecnologías innovadoras, siempre habrá barro y arena. Sin embargo, con el desarrollo de la tecnología de soporte periférico de nueva tecnología, su papel será cada vez más importante, como los dispositivos de energía de nitruro de galio. Echemos un vistazo a lo que los grandes cafetaleros de la industria han dicho recientemente sobre el nitruro de galio y ¿qué lecciones pueden darnos?

GaN se ha convertido en un catalizador de energía 5G.

"La aparición del nitruro de galio satisfará la demanda de 5G, creará una nueva topología y cambiará por completo la carga rápida", afirmó Stephen Oliver, vicepresidente de marketing corporativo y relaciones con inversores de Navitas Semiconductor.

Según los datos publicados por GSMArena, desde 2010, el tamaño medio de la pantalla y la capacidad de la batería de las nuevas plataformas de teléfonos móviles como Apple iPhone 12, Xiaomi Mi11 y Samsung S21 se han multiplicado por más de tres. Es inaceptable utilizar cargadores comerciales lentos de 5 W o 20 W basados ​​en silicio para prolongar el tiempo de carga, por lo que se necesita más energía.

Como muestra la topología tradicional de baja frecuencia, obtener más energía del cargador de silicio significa mayor tamaño, mayor peso y mayor costo, y el diseño de la densidad de potencia y la densidad térmica son cuellos de botella.

En 10 años, el tamaño de la pantalla y la capacidad de la batería de los teléfonos inteligentes se han multiplicado por más de 3.

Oliver dijo que el aumento de la pantalla de los teléfonos inteligentes, la batería y las funciones 5G, así como la mejora de la velocidad y capacidad de procesamiento y transmisión de datos, hicieron que la gente prestara atención a la velocidad de carga y al tamaño, peso y costo del adaptador de viaje. Al mismo tiempo, la introducción de una plataforma de carga única y flexible (hardware y software), concretamente el conector USB-C (USB-C) o la fuente de alimentación programable (PPS) con transmisión de energía (USB-PD), significa que los consumidores no ya no dependen de productos eléctricos proporcionados por OEM.

Él cree que la clave para mejorar la densidad de potencia es aumentar la frecuencia de conmutación y minimizar los componentes pasivos como transformadores, filtros EMI, condensadores de salida y de gran capacidad. Ya en 1996, la comunidad académica propuso una topología de alta velocidad como Active Clamped Flyback (ACF), pero se vio frustrada por la baja resistencia y el rendimiento de conmutación y la complejidad del silicio y la falta de un circuito integrado de control óptimo.

A principios de 2018, la introducción del IC de potencia GaN puso fin a esta situación, lo que no solo hizo que ACF fuera comercialmente factible, sino que también hizo que la carga flyback cuasi-resonante de alta frecuencia del cargador de teléfono inteligente, así como el CrCM (modo de conducción crítica). ) impulsar la topología PFC (corrección del factor de potencia), LLC (controlador resonante) de alta velocidad y PFC de tótem CrCM avanzado para sistemas de mayor potencia, como computadoras portátiles para juegos, PC integradas, televisores y fuentes de alimentación de unidades de transmisión 5G comercialmente viables.

El CI de potencia de GaN integra un FET de potencia de GaN y un controlador de GaN, además de control y protección, en un único chip. Estos CI de fuente de alimentación GaNFast™ son componentes de entrada y salida digitales fáciles de usar, de alta velocidad y alto rendimiento. Dado que el circuito de control de compuerta prácticamente no tiene impedancia, prácticamente no hay pérdidas al desactivarse tras la integración. Además, el rendimiento de apertura se puede controlar y personalizar según los requisitos específicos de la aplicación.

¿Cuál es el efecto? El circuito integrado de energía GaN funciona 20 veces más rápido y 3 veces más rápido que el diseño de silicio tradicional, y ha sido utilizado por fabricantes de equipos originales como Dell, Lenovo y Xiaomi para cargar rápidamente teléfonos inteligentes y computadoras portátiles. Como se puede ver en el cargador rápido OPPO 50W Mini SuperVOOC Cookie, la topología GaN de alta velocidad elimina los componentes pasivos y reduce el tamaño del cargador. Con el controlador TI UCC28782 y un par de circuitos integrados de potencia GaNFast con configuración de medio puente, se logra un retorno de abrazadera activa de alta eficiencia con una velocidad 10 veces más rápida.

Pruebas bajo la dura demanda del mercado

图源 |网络

"Las pruebas de tensión y temperatura cuidadosas muestran que los dispositivos de potencia de GaN tienen la alta confiabilidad requerida por los mercados automotriz e industrial", dijo Ron Barr, vicepresidente de calidad y confiabilidad de Transphorm.

Las ventajas del MOSFET de potencia GaN de banda ancha (WBG) hacen que desempeñe un papel cada vez más importante en ocasiones exigentes, como el subsistema de energía de automóviles y el suministro de energía de centros de datos. Estas aplicaciones tienen condiciones de trabajo desafiantes y no se pueden tolerar fallas debido a los costos de garantía de los automóviles o los altos costos relacionados con la confiabilidad del centro de datos. Al seleccionar dispositivos de energía, los ingenieros de diseño deben asegurarse de que sean confiables, resistentes y duraderos.

Tomando como ejemplo el GaN HEMT (transistor de alta movilidad de electrones) de agotamiento TP65H035WSQA diseñado por Transphorm de doble chip normalmente apagado, el GaN HEMT y un FET de silicio de bajo voltaje normalmente apagado están conectados en serie para formar una estructura de dispositivo en cascodo.

Estructura combinada de símbolo de cascode y dispositivo de cascode

El dispositivo está empaquetado en TO-247 y cumple con el estándar AEC-Q101 a 175 ℃. Al evaluar la confiabilidad del producto, los ingenieros de diseño necesitan cuatro "dominios" de información/datos de confiabilidad para determinar si el dispositivo es adecuado para la aplicación, que incluyen: certificación del producto; Prueba de vida altamente acelerada; Prueba de fracaso en la vida temprana; Confiabilidad en el campo.

Certificación del producto

La certificación de productos se rige principalmente por dos estándares comunes en la industria. El JEDEC JESD 47 es adecuado para dispositivos comerciales, y el estándar AEC-Q101, más estricto, es adecuado para dispositivos de medición de vehículos. Cada estándar incluye una serie de pruebas que los productos deben superar, como ciclos de temperatura, polarización inversa de alta temperatura, polarización de red de alta temperatura, etc., para que estos productos puedan considerarse certificados por JEDEC o Q101.

高加速寿命试验

La prueba de vida altamente acelerada (HALT) es un método bien definido, es decir, se aplica tensión al dispositivo con la condición de que a veces supere el límite de su hoja de datos hasta que el dispositivo falla. Al mismo tiempo, se recopilan datos sobre el tiempo hasta la falla (TTF), de modo que se pueda aplicar un modelo apropiado para predecir la vida duradera (también llamada vida inherente).

Bajo polarización inversa, se probó un lote de dispositivos de voltaje nominal de 650 V con voltajes entre 1050 V y 1150 V en estado apagado hasta que la mayoría de los dispositivos fallaron. Luego calcule el tiempo promedio hasta la falla bajo cada conjunto de condiciones.

图源 | El borde

De manera similar, el dispositivo debe probarse para detectar fallas a tres temperaturas diferentes. Se obtienen tres voltajes diferentes y tres temperaturas diferentes en condiciones de prueba aceleradas. Ahora, el tiempo de falla de cada prueba se normaliza bajo un conjunto de condiciones de uso, que generalmente se derivan del resumen de tareas de la aplicación. En el ejemplo, se selecciona un conjunto de condiciones extremas para calcular la vida útil de un dispositivo de 650 V a 175 ℃ con un ciclo de trabajo del 100 %.

Todos los datos de la prueba se pueden combinar en un modelo, que se denomina "gráfico de uso". Este gráfico muestra la probabilidad de falla trazada según el tiempo de falla en las condiciones de uso.

La práctica común es definir la vida útil del dispositivo cuando la probabilidad de falla es de 100 PPM. En este ejemplo, son 106 horas de funcionamiento continuo durante 100 años.

早期失效试验

La prueba de falla temprana se utiliza para calcular el riesgo de garantía en la aplicación y probar la probabilidad de falla antes de que se dañe el dispositivo. Las fallas tempranas (tasa de fallas tempranas) generalmente ocurren debido a defectos que no se encontraron o no se detectaron en el proceso de fabricación, lo que generalmente se denomina "defectos internos". En el caso de los dispositivos de GaN, estos defectos inherentes provocarán una distorsión del campo eléctrico y un fallo acelerado de las posiciones de los defectos.

Para que la prueba sea significativa, debemos intentar probar una muestra de dispositivo mucho mayor que la descrita en la prueba HALT, a fin de aumentar la probabilidad de detectar defectos intrínsecos. El método de uso se describe detalladamente en la norma JESD 74A de JEDEC, disponible en el sitio web de JEDEC.

El fracaso temprano en la vida generalmente se calcula mediante FIT (tasa de fracaso de mil millones de horas) o PPM/año. Los datos muestran que la tasa FIT es muy baja, lo que puede indicar una confiabilidad de campo muy buena.

现场可靠性

El cálculo de confiabilidad in situ de Transphorm sigue la práctica de la industria y tiene en cuenta la cantidad de dispositivos entregados, cuánto tiempo se utilizará en el campo y cuántos dispositivos han fallado según lo informado por los clientes. Por supuesto, no todos los productos pueden entregarse o utilizarse inmediatamente. Para ser conservadores, el número total de horas del dispositivo se reducirá a la mitad. El tiempo de trabajo de los dispositivos de Transphorm en el campo es de mucho más de 7 mil millones de horas. Hasta ahora, ha sido devuelto dos veces y su confiabilidad de campo es inferior a 1FIT.

“Las pruebas muestran que los dispositivos de potencia de GaN anteriores superan los exigentes requisitos de confiabilidad de los fabricantes de equipos originales (OEM) industriales y de automóviles. La confiabilidad de estos dispositivos GaN es al menos igual a la del silicio existente y otras tecnologías de banda prohibida amplia, y a menudo es mejor ", concluyó Barr con confianza.

GaN栅极驱动的新要求

图源 | Pinterest

"El GaN de bajo consumo de energía es el próximo paso revolucionario, que abrirá una nueva era para las aplicaciones de electrónica de potencia. Sin embargo, es necesario prestar atención a algunos problemas al utilizar la nueva tecnología de transistores de potencia", Eric Persson, ingeniero jefe senior de Infineon. Tecnología, señaló.

El interruptor de encendido juega un papel importante en la mejora del rendimiento, la densidad y el costo del adaptador. Tradicionalmente, los transistores de potencia utilizados como interruptores están basados ​​en silicio, y la tendencia muestra claramente que los transistores de banda prohibida amplia, especialmente GaN, se están convirtiendo en el estándar de adaptadores de alto rendimiento y tamaño pequeño.

Mirando hacia atrás en el desarrollo de la tecnología de transistores de potencia, hasta hoy, el transistor SJ (superunión) de silicio ha sido la principal tecnología de transistores utilizada en cargadores/adaptadores. Puede proporcionar baja resistencia, excelente capacidad de manejo de corriente, manejo simple de puerta y confiabilidad probada en el tiempo en un paquete pequeño, todo lo cual es de bajo costo.

Sin embargo, considerando el amplio rango de voltaje requerido por el adaptador y la sobretensión transitoria causada por la inductancia de fuga y la sobretensión transitoria, incluso los transistores de 650 V a menudo no son suficientes y requieren dispositivos de 700-800 V. Y este es un aspecto en el que el GaN tiene ventajas obvias sobre el silicio. Porque, cuando el voltaje aplicado excede el voltaje nominal, el transistor de silicio entrará en el estado de avalancha. Algunos diseños utilizan el efecto Zener como amortiguador para suprimir la sobretensión transitoria. Sin embargo, incluso si la energía está en el área de trabajo segura (SOA) del transistor, este método aumentará la pérdida de energía y puede provocar EMI (interferencia electromagnética) no deseada adicional. Además, una gran cantidad de energía generada por la sobretensión puede exceder la energía de la avalancha y dañar el transistor.

Por el contrario, el voltaje nominal del transistor GaN es mucho menor que su voltaje de ruptura destructivo real. El voltaje nominal del transistor se basa en las condiciones de aplicación especificadas para cumplir con el nivel de confiabilidad requerido para la vida útil del dispositivo. El HEMT tipo E de coolgan 600v, por ejemplo, generalmente tiene un voltaje de ruptura destructivo de más de 1000V y su voltaje nominal de pulso es de 750V en diversas condiciones. En la topología de coincidencia ACF perfecta, la energía de fuga es administrada por el circuito resonante y la alta tensión nominal de pulso de GaN puede ajustar la sobretensión del rayo.

La clave para la aplicación del transistor GaN es que sus requisitos de accionamiento de puerta son diferentes a los del transistor de silicio. Una diferencia importante es que el umbral y el voltaje de fuente de puerta (VGS) de GaN son significativamente más bajos que los de los transistores de silicio. Aunque esto reduce la carga de la puerta, también puede presentar dificultades para mantener el transistor apagado. En el circuito ACF, dos transistores están configurados como medios puentes, el interruptor principal está en la parte inferior y la abrazadera activa se usa como interruptor del lado alto. Y el controlador y el controlador del transistor del lado bajo funcionan con una fuente de alimentación polarizada. Pero el controlador de puerta del lado alto necesita una fuente de alimentación flotante. En grandes fuentes de alimentación para centros de datos o telecomunicaciones, se puede utilizar un único convertidor CC-CC para proporcionar energía de polarización flotante para el lado de alto voltaje. Pero en el caso del adaptador/cargador, el tamaño y el coste de este método son prohibitivos.

Circuito simplificado de topología de retorno de abrazadera activa

Un método común de suministrar energía al lado de alto voltaje es la llamada fuente de alimentación de arranque, es decir, cuando se enciende el lado de bajo voltaje, el capacitor de almacenamiento de energía polarizado por el lado de alto voltaje se carga hacia arriba desde el lado de alto voltaje. Fuente de alimentación de polarización lateral de bajo voltaje a través de un diodo. Cuando se abre el lado de alto voltaje, extraerá polarización del condensador de almacenamiento de energía y debe reponerse periódicamente (cada vez que se abre el lado de bajo voltaje). Cuando el circuito funciona de forma continua, este es un método muy eficaz y económico para suministrar energía al lado de alto voltaje. Pero el desafío es cómo operar en modo discontinuo.

Entonces, ¿cómo evitar el encendido falso del lado alto cuando el capacitor de arranque no está cargado? El CI de controlador de puerta general a veces incluye un diseño de circuito de sujeción, pero el método tradicional para transistores de silicio se basa en un voltaje de umbral más alto (como 3-4 V). Por lo tanto, si los circuitos comienzan a fijarse en el rango de 1-2 V, desafortunadamente, necesitarán cientos de ns para comenzar a fijarse. Los transistores GaN ya pueden conducir una gran cantidad de corriente en estos voltajes de puerta.

Para optimizar el rendimiento del controlador de fijación rápida combinado con un transistor de GaN, es necesario minimizar la impedancia de interferencia entre ellos. Yingling adopta el método de integración de transistores de GaN de lado alto y lado bajo (¿190 mΩ?) y los integra con un nuevo controlador de medio puente en un encapsulado iQFN de 8×8 mm, creando así una etapa de potencia integrada (IPS) de medio puente.

En comparación con los productos de la competencia, este método de integración y partición tiene las siguientes ventajas:

Escribir al final

发挥优势的时刻已经到来

Los semiconductores de tercera generación representados por el nitruro de galio y el carburo de silicio tienen características excelentes, como resistencia a altas temperaturas, resistencia a altos voltajes, alta frecuencia, alta potencia y resistencia a la radiación, y las limitaciones en tecnología y costos se están desvaneciendo lentamente. A continuación, depende de cómo la parte de la aplicación puede aprovechar al máximo sus ventajas mediante pruebas de dispositivos, desarrollo de controladores y coincidencia de componentes periféricos.

Descargo de responsabilidad: este artículo es una reproducción de "eefocus y no web". Este artículo solo representa los puntos de vista personales del autor y no representa los puntos de vista de Sacco Micro y la industria. Es sólo para reimprimir y compartir para apoyar la protección de los derechos de propiedad intelectual. Indique la fuente original y el autor al reimprimir. Si hay alguna infracción, comuníquese con nosotros para eliminarla.