اخیراً مقاله پروفسور چن یونگژن از دانشگاه صنعتی لیائونینگ را خواندم، "آیا خازن الکترولیتی برای GaN FET فقط یک حقه است؟" احساسات زیادی وجود دارد، بنابراین خازن الکترولیتی نیترید گالیم (GaN)FET (ترانزیستور اثر میدان) به وجود آمد. جدای از حجم کاهش یافته آن، اندوکتانس انگلی آن را نمی توان تا حد زیادی کاهش داد، زمانی که فرآیند تولید به طور اساسی تغییر نکرده باشد، و دارای ویژگی های اندوکتانس در فرکانس سوئیچینگ بالا، با هارمونیک های بالاتر فراوان است. بنابراین، چنین خازن الکترولیتی غیر ضروری است.

+در واقع، در لحظه تکرار نسل جدیدی از فناوری های نوآورانه، همیشه گل و لای وجود خواهد داشت. با این حال، با توسعه فناوری پشتیبانی محیطی فناوری جدید، نقش آن بیشتر و بیشتر مهم خواهد شد، مانند دستگاه های قدرت نیترید گالیوم. بیایید نگاهی بیندازیم به آنچه اخیراً قهوه سازهای بزرگ در صنعت درباره نیترید گالیوم گفته اند و چه درس هایی می توانند به ما بدهند؟

GaN به یک کاتالیزور انرژی 5G تبدیل شده است.

استفن الیور، معاون رئیس بازاریابی شرکتی و روابط با سرمایه‌گذاران در شرکت Navitas Semiconductor، گفت: «ظهور نیترید گالیوم، تقاضای 5G را برآورده می‌کند، توپولوژی جدیدی را محقق می‌سازد و شارژ سریع را کاملاً تغییر می‌دهد.»

بر اساس داده های منتشر شده توسط GSMArena، از سال 2010، میانگین اندازه صفحه نمایش و ظرفیت باتری پلتفرم های جدید تلفن همراه مانند Apple iPhone 12، Xiaomi Mi11 و Samsung S21 بیش از سه برابر افزایش یافته است. استفاده از شارژرهای تجاری آهسته 5 واتی یا 20 واتی مبتنی بر سیلیکون برای طولانی‌تر کردن زمان شارژ غیرقابل قبول است، بنابراین به قدرت بیشتری نیاز است.

همانطور که توپولوژی فرکانس پایین سنتی نشان می دهد، دریافت انرژی بیشتر از شارژر سیلیکونی به معنای اندازه بزرگتر، وزن سنگین تر و هزینه بالاتر است، و طراحی چگالی توان و چگالی حرارتی از تنگناها هستند.

در طی 10 سال، اندازه صفحه نمایش و ظرفیت باتری تلفن های هوشمند بیش از 3 برابر افزایش یافته است.

الیور گفت که افزایش عملکرد صفحه نمایش گوشی هوشمند، باتری و 5G و همچنین افزایش پردازش و سرعت انتقال داده و ظرفیت، باعث شده تا مردم به سرعت شارژ و اندازه، وزن و هزینه آداپتور مسافرتی توجه کنند. در عین حال، معرفی یک پلت فرم شارژ منعطف (سخت افزاری و نرم افزاری)، یعنی کانکتور USB-C (USB-C) یا منبع تغذیه قابل برنامه ریزی (PPS) با انتقال برق (USB-PD)، به این معنی است که مصرف کنندگان برای مدت طولانی تری به محصولات برق ارائه شده توسط OEM تکیه کنید.

وی معتقد است که کلید بهبود چگالی توان افزایش فرکانس سوئیچینگ و به حداقل رساندن اجزای غیرفعال مانند ترانسفورماتورها، فیلترهای EMI، ظرفیت زیاد و خازن های خروجی است. در اوایل سال 1996، یک توپولوژی پرسرعت مانند Active Clamped Flyback (ACF) توسط جامعه دانشگاهی پیشنهاد شد، اما به دلیل مقاومت ضعیف و عملکرد سوئیچینگ و پیچیدگی سیلیکون و فقدان IC کنترل بهینه، ناامید شد.

در ابتدای سال 2018، معرفی IC پاور GaN به این وضعیت پایان داد، که نه تنها ACF را از نظر تجاری امکان پذیر کرد، بلکه باعث شد شارژر فلای بک با فرکانس بالا شبه رزونانس شارژر تلفن هوشمند و همچنین CrCM (حالت هدایت بحرانی) تقویت توپولوژی PFC (تصحیح ضریب توان)، LLC پرسرعت (کنترل کننده رزونانس) و پیشرفته CrCM قطب توتم PFC برای سیستم های قدرت بالاتر مانند رایانه های نوت بوک بازی، رایانه های شخصی یکپارچه، تلویزیون ها و منابع تغذیه واحد انتقال 5G از نظر تجاری امکان پذیر است.

آی‌سی‌های تغذیه GaN، ترانزیستور اثر میدانی GaN و درایور GaN را به همراه کنترل و حفاظت در یک بسته تراشه ادغام می‌کنند. این آی‌سی‌های تغذیه GaNFast® اجزای تغذیه ورودی و خروجی دیجیتال با کاربرد آسان، سرعت بالا و عملکرد بالا هستند. از آنجا که مدار راه‌انداز گیت اساساً هیچ امپدانس ندارد، پس از ادغام، هنگام خاموش شدن تقریباً هیچ تلفاتی وجود ندارد. علاوه بر این، عملکرد باز شدن را می‌توان با توجه به نیازهای خاص برنامه کنترل و سفارشی کرد.

چه تاثیری دارد؟ IC پاور GaN 20 برابر سریع‌تر و 3 برابر بیشتر از طراحی سنتی سیلیکونی کار می‌کند و توسط شرکت‌های OEM مانند Dell، Lenovo و Xiaomi برای شارژ سریع تلفن‌های هوشمند و لپ‌تاپ‌ها استفاده شده است. همانطور که از شارژر سریع کوکی OPPO 50W Mini SuperVOOC مشاهده می شود، توپولوژی پرسرعت GaN اجزای غیرفعال را حذف می کند و اندازه شارژر را کاهش می دهد. با کنترلر TI UCC28782 و یک جفت IC های قدرت GaNFast با پیکربندی نیم پل، فلایبک فعال گیره با راندمان بالا با سرعت 10 برابر بیشتر محقق می شود.

تست تحت تقاضای شدید بازار

图源 |网络

ران بار، معاون کیفیت و قابلیت اطمینان شرکت ترنسفورم، گفت: «آزمایش‌های دقیق ولتاژ و فشار دما نشان می‌دهد که دستگاه‌های قدرت GaN از قابلیت اطمینان بالایی برخوردارند که مورد نیاز بازارهای خودرو و صنعتی است.»

مزایای MOSFET قدرت GaN با شکاف باند پهن (WBG) باعث می‌شود که نقش آن در موارد پر تقاضا مانند زیرسیستم برق خودرو و منبع تغذیه مرکز داده به طور فزاینده‌ای مهم باشد. این کاربردها شرایط کاری چالش برانگیزی دارند و خرابی‌ها به دلیل هزینه‌های گارانتی خودرو یا هزینه‌های بالای مربوط به قابلیت اطمینان مرکز داده قابل تحمل نیستند. هنگام انتخاب دستگاه‌های قدرت، مهندسان طراح باید مطمئن شوند که آنها قابل اعتماد، قوی و بادوام هستند.

با در نظر گرفتن تهی شدن GaN HEMT (ترانزیستور با تحرک الکترون بالا) TP65H035WSQA که توسط تراشه دوگانه معمولی خاموش Transphorm طراحی شده است، GaN HEMT و یک FET سیلیکونی با ولتاژ معمولی خاموش به صورت سری به هم متصل می شوند تا ساختار دستگاه کاسکد را تشکیل دهند.

نماد کاسکد و ساختار ترکیبی دستگاه کاسکد

این دستگاه در بسته بندی TO-247 و مطابق با استاندارد AEC-Q101 در دمای 175 درجه سانتیگراد است. هنگام ارزیابی قابلیت اطمینان محصول، مهندسان طراح به چهار "حوزه" اطلاعات/داده های قابلیت اطمینان نیاز دارند تا تعیین کنند که آیا دستگاه برای کاربرد مناسب است، از جمله: گواهی محصول. تست زندگی با سرعت بالا؛ تست شکست در مراحل اولیه زندگی؛ قابلیت اطمینان میدان

产品认证

صدور گواهینامه محصول عمدتاً از دو استاندارد رایج در صنعت پیروی می‌کند. JEDEC JESD 47 برای دستگاه‌های تجاری مناسب است و استاندارد سختگیرانه‌تر AEC-Q101 برای دستگاه‌های اندازه‌گیری خودرو مناسب است. هر استاندارد دارای یک سری آزمایش است که محصولات باید از آنها عبور کنند، مانند چرخه دما، بایاس معکوس دمای بالا، بایاس شبکه دمای بالا و غیره، به طوری که چنین محصولاتی را می‌توان واجد شرایط JEDEC یا Q101 دانست.

高加速寿命试验

تست عمر با شتاب بالا (HALT) یک روش کاملاً تعریف شده است، به این معنا که استرس به دستگاه اعمال می شود، در شرایطی که گاهی اوقات از حد برگه داده آن فراتر می رود تا زمانی که دستگاه از کار بیفتد. در همان زمان، داده‌های مربوط به زمان شکست (TTF) جمع‌آوری می‌شود تا بتوان از یک مدل مناسب برای پیش‌بینی عمر بادوام (که عمر ذاتی نیز نامیده می‌شود) استفاده کرد.

تحت بایاس معکوس، دسته ای از دستگاه های ولتاژ نامی 650 ولت با ولتاژ بین 1050 ولت و 1150 ولت در حالت خاموش آزمایش شدند تا زمانی که اکثر دستگاه ها از کار افتادند. سپس میانگین زمان شکست را در هر مجموعه از شرایط محاسبه کنید.

图源 | آستانه

به روشی مشابه، دستگاه باید برای خرابی در سه دمای مختلف آزمایش شود. سه ولتاژ مختلف و سه دمای مختلف تحت شرایط آزمایش شتاب به دست می آیند. در حال حاضر، زمان شکست هر آزمون تحت مجموعه ای از شرایط استفاده نرمال می شود، که معمولاً از خلاصه وظایف برنامه استخراج می شود. در مثال، مجموعه ای از شرایط شدید برای محاسبه طول عمر دستگاه 650 ولت 175 درجه سانتیگراد با چرخه کاری 100٪ انتخاب شده است.

تمام داده های تست را می توان در یک مدل ترکیب کرد که به آن "گراف استفاده" می گویند. این نمودار احتمال شکست را با توجه به زمان شکست در شرایط استفاده نشان می دهد.

روش معمول این است که عمر دستگاه را زمانی تعریف کنیم که احتمال خرابی 100PPM باشد. در این مثال 106 ساعت کار مداوم برای 100 سال است.

早期失效试验

تست خرابی زودهنگام برای محاسبه ریسک گارانتی در کاربرد و آزمایش احتمال خرابی قبل از آسیب دیدن دستگاه استفاده می شود. خرابی اولیه (میزان شکست اولیه) معمولاً به دلیل نقص هایی است که در فرآیند تولید یافت نشده یا غربال نشده است، که معمولاً به آن "عیب های داخلی" می گویند. در مورد دستگاه های GaN، این عیوب ذاتی منجر به اعوجاج میدان الکتریکی و تسریع شکست موقعیت های نقص می شود.

برای آزمایش معنادار، باید سعی کنیم نمونه دستگاهی بسیار بزرگتر از آزمایش HALT که قبلاً توضیح داده شد را آزمایش کنیم تا احتمال یافتن نقص‌های ذاتی افزایش یابد. روش استفاده به طور کامل در استاندارد JEDEC JESD 74A شرح داده شده است که می‌توان آن را در وب‌سایت JEDEC دریافت کرد.

شکست اولیه زندگی معمولاً توسط FIT (نرخ شکست میلیارد ساعت) یا PPM/سال محاسبه می شود. داده ها نشان می دهد که نرخ FIT بسیار پایین است، که ممکن است نشان دهنده قابلیت اطمینان میدان بسیار خوب باشد.

现场可靠性

محاسبه قابلیت اطمینان در محل Transphorm از رویه صنعت پیروی می‌کند و تعداد دستگاه‌های تحویل‌شده، مدت زمان استفاده از آن در میدان و تعداد دستگاه‌هایی که طبق گزارش مشتریان از کار افتاده‌اند را در نظر می‌گیرد. البته همه محصولات را نمی توان بلافاصله تحویل یا استفاده کرد. برای محافظه کارانه، تعداد کل ساعات دستگاه به نصف کاهش می یابد. زمان کار دستگاه های Transphorm در میدان به مراتب بیش از 7 میلیارد ساعت است. تا کنون دو بار برگشت داده شده است و قابلیت اطمینان میدان آن کمتر از 1FIT است.

آزمایش‌ها نشان می‌دهد که دستگاه‌های قدرت GaN فوق از الزامات قابلیت اطمینان چالش‌برانگیز OEM‌های خودرو و صنعتی فراتر می‌روند. قابلیت اطمینان این دستگاه‌های GaN حداقل برابر با سیلیکون موجود و سایر فناوری‌های باند گپ گسترده است و اغلب بهتر است، "بار با اطمینان نتیجه گرفت.

GaN栅极驱动的新要求

图源 | پینترست

اریک پرسون، مهندس ارشد Infineon گفت: "مصرف کم انرژی GaN گام انقلابی بعدی است که عصر جدیدی را برای کاربردهای الکترونیک قدرت باز خواهد کرد. با این حال، باید به برخی مشکلات در هنگام استفاده از فناوری جدید ترانزیستور قدرت توجه شود." تکنولوژی اشاره کرد.

کلید پاور نقش مهمی در بهبود عملکرد، چگالی و هزینه آداپتور دارد. به طور سنتی، ترانزیستورهای قدرتی که به عنوان سوئیچ استفاده می شوند، مبتنی بر سیلیکون هستند و این روند به وضوح نشان می دهد که ترانزیستورهای باندگپ گسترده، به ویژه GaN، در حال تبدیل شدن به استاندارد آداپتورهای با کارایی بالا و اندازه کوچک هستند.

با نگاهی به توسعه فناوری ترانزیستور قدرت، تا به امروز، ترانزیستور سیلیکونی SJ (سوپر اتصال) فناوری اصلی ترانزیستور مورد استفاده در شارژر/آداپتور بوده است. این می تواند مقاومت کم، قابلیت کنترل جریان عالی، رانندگی ساده و قابلیت اطمینان ثابت شده در زمان را در یک بسته کوچک ارائه دهد که همه آنها کم هزینه هستند.

با این حال، با توجه به محدوده وسیع ولتاژ مورد نیاز آداپتور و اضافه ولتاژ گذرا ناشی از اندوکتانس نشتی و گذرا موج صاعقه، حتی ترانزیستورهای 650 ولت اغلب کافی نیستند و به دستگاه های 700-800 ولت نیاز دارند. و این یکی از جنبه هایی است که در آن GaN مزایای آشکاری نسبت به سیلیکون دارد. زیرا زمانی که ولتاژ اعمال شده از ولتاژ نامی فراتر رود، ترانزیستور سیلیکونی وارد حالت خرابی بهمن می شود. برخی از طرح ها از افکت زنر به عنوان بافر برای سرکوب گذرای اضافه ولتاژ استفاده می کنند. با این حال، حتی اگر انرژی در ناحیه کار ایمن (SOA) ترانزیستور باشد، این روش باعث افزایش تلفات برق شده و ممکن است منجر به EMI نامطلوب اضافی (تداخل الکترومغناطیسی) شود. علاوه بر این، مقدار زیادی انرژی تولید شده توسط موج ممکن است از انرژی بهمن فراتر رود و به ترانزیستور آسیب برساند.

برعکس، ولتاژ نامی ترانزیستور GaN بسیار کمتر از ولتاژ شکست مخرب واقعی آن است. ولتاژ نامی ترانزیستور بر اساس شرایط کاربردی مشخص شده است تا سطح قابلیت اطمینان مورد نیاز برای عمر دستگاه را برآورده کند. به عنوان مثال HEMT نوع E کولگان 600 ولت معمولاً دارای ولتاژ خرابی مخرب بیش از 1000 ولت است و درجه ولتاژ پالس آن در شرایط مختلف 750 ولت است. در توپولوژی تطبیق کامل ACF، انرژی نشتی توسط مدار رزونانس مدیریت می‌شود و رتبه‌بندی ولتاژ پالس بالای GaN می‌تواند ولتاژ موج صاعقه را تنظیم کند.

کلید کاربرد ترانزیستور GaN این است که الزامات درایو گیت آن با ترانزیستور سیلیکونی متفاوت است. یک تفاوت مهم این است که آستانه و ولتاژ منبع گیت یکپارچه (VGS) GaN به طور قابل توجهی کمتر از ترانزیستورهای سیلیکونی است. اگرچه این باعث کاهش شارژ گیت می شود، اما ممکن است چالش هایی را در خاموش نگه داشتن ترانزیستور ایجاد کند. در مدار ACF، دو ترانزیستور به عنوان نیم پل پیکربندی می شوند، کلید اصلی در پایین قرار دارد و گیره فعال به عنوان کلید سمت بالا استفاده می شود. و کنترلر و درایور ترانزیستور سمت پایین توسط یک منبع تغذیه بایاس تغذیه می شوند. اما درایور دروازه بالا به منبع تغذیه شناور نیاز دارد. در منبع تغذیه بزرگ مخابراتی یا مرکز داده، می‌توان از یک مبدل DC-DC برای تامین نیروی بایاس شناور برای سمت ولتاژ بالا استفاده کرد. اما در آداپتور/شارژر اندازه و هزینه این روش بسیار زیاد است.

مدار ساده شده توپولوژی فلای بک گیره فعال

یک روش متداول برای تامین برق به سمت ولتاژ بالا، به اصطلاح منبع تغذیه بوت استرپ است، به این معنی که وقتی سمت ولتاژ پایین روشن می شود، خازن ذخیره انرژی بایاس شده توسط سمت ولتاژ بالا از سمت بالا به سمت بالا شارژ می شود. منبع تغذیه بایاس سمت ولتاژ پایین از طریق دیود. هنگامی که سمت ولتاژ بالا باز می شود، بایاس را از خازن ذخیره انرژی می گیرد و باید به طور منظم (هر بار که سمت ولتاژ پایین باز می شود) دوباره پر شود. هنگامی که مدار به طور مداوم کار می کند، این یک روش بسیار موثر و کم هزینه برای تامین برق به سمت ولتاژ بالا است. اما چالش این است که چگونه در حالت ناپیوسته کار کنیم.

بنابراین، هنگامی که خازن بوت استرپ شارژ نمی شود، چگونه از روشن شدن کاذب سمت بالا جلوگیری کنیم؟ IC درایور عمومی گیت گاهی اوقات شامل طراحی مدار گیره است، اما روش سنتی برای ترانزیستورهای سیلیکونی به ولتاژ آستانه بالاتر (مانند 3-4 ولت) متکی است. بنابراین، اگر مدارها شروع به بستن در محدوده 1-2 ولت کنند، متأسفانه برای شروع بستن به صدها ns نیاز دارند. ترانزیستورهای GaN می توانند مقدار زیادی جریان را در این ولتاژهای گیت هدایت کنند.

برای بهینه‌سازی عملکرد درایور گیره سریع همراه با ترانزیستور GaN، امپدانس تداخل بین آنها باید به حداقل برسد. یینگ‌لینگ روش ادغام ترانزیستورهای GaN سمت بالا و سمت پایین (190 میکرومتر؟) را اتخاذ می‌کند و آنها را با یک درایور نیم پل جدید در یک بسته iQFN 8×8 میلی‌متری ادغام می‌کند و بدین ترتیب یک مرحله قدرت یکپارچه نیم پل (IPS) می‌سازد.

در مقایسه با محصولات رقابتی، این روش یکپارچه سازی و پارتیشن دارای مزایای زیر است:

در پایان بنویسید

发挥优势的时刻已经到来

نیمه هادی های نسل سوم که با نیترید گالیوم و کاربید سیلیکون نشان داده می شوند دارای ویژگی های عالی مانند مقاومت در برابر دمای بالا، مقاومت در برابر ولتاژ بالا، فرکانس بالا، قدرت بالا و مقاومت در برابر تشعشع هستند و محدودیت های فناوری و هزینه به آرامی از بین می روند. در مرحله بعد، این بستگی به این دارد که چگونه طرف برنامه بتواند مزایای خود را از طریق آزمایش دستگاه، توسعه درایور و تطبیق اجزای جانبی به طور کامل به نمایش بگذارد.

سلب مسئولیت: این مقاله از "و غیر وب eefocus" تکثیر شده است. این مقاله فقط دیدگاه های شخصی نویسنده را نشان می دهد و دیدگاه های Sacco Micro و صنعت را نشان نمی دهد. این فقط برای تجدید چاپ و به اشتراک گذاری برای حمایت از حمایت از حقوق مالکیت معنوی است. لطفاً هنگام چاپ مجدد منبع و نویسنده اصلی را ذکر کنید. در صورت وجود هرگونه تخلف، لطفا با ما تماس بگیرید تا آن را حذف کنیم.