Di recente ho letto l'articolo del professor Chen Yongzhen dell'Università di Tecnologia di Liaoning, "Il condensatore elettrolitico per GaN FET è solo un espediente?" Ci sono molte sensazioni, quindi è nato il condensatore elettrolitico per nitruro di gallio (GaN)FET (transistor ad effetto di campo). A parte il suo volume ridotto, la sua induttanza parassita non può essere notevolmente ridotta quando il processo di produzione non è cambiato sostanzialmente, e ha caratteristiche di induttanza ad alta frequenza di commutazione, con abbondanti armoniche più alte. Pertanto, un tale condensatore elettrolitico non è necessario.

+Infatti, al momento dell’iterazione di una nuova generazione di tecnologie innovative, ci saranno sempre fango e sabbia. Tuttavia, con lo sviluppo della tecnologia di supporto periferico della nuova tecnologia, il suo ruolo sarà sempre più importante, come ad esempio i dispositivi di alimentazione al nitruro di gallio. Diamo un'occhiata a cosa hanno detto recentemente i grandi produttori di caffè del settore sul nitruro di gallio e quali lezioni possono darci?

Il GaN è diventato un catalizzatore di energia 5G.

"L'emergere del nitruro di gallio soddisferà la domanda del 5G, realizzerà una nuova topologia e cambierà completamente la ricarica rapida", ha affermato Stephen Oliver, vicepresidente del marketing aziendale e delle relazioni con gli investitori di Navitas Semiconductor.

Secondo i dati diffusi da GSMArena, dal 2010 la dimensione media dello schermo e la capacità della batteria delle nuove piattaforme di telefonia mobile come Apple iPhone 12, Xiaomi Mi11 e Samsung S21 sono aumentate di oltre tre volte. Non è accettabile utilizzare caricabatterie commerciali lenti da 5 W o 20 W a base di silicio per prolungare il tempo di ricarica, quindi è necessaria più potenza.

Come mostra la tradizionale topologia a bassa frequenza, ottenere più energia dal caricatore in silicio significa dimensioni maggiori, peso maggiore e costi più elevati, e la progettazione della densità di potenza e della densità termica rappresentano dei colli di bottiglia.

Nel giro di 10 anni, le dimensioni dello schermo e la capacità della batteria degli smartphone sono aumentate di oltre 3 volte.

Oliver ha affermato che l’aumento dello schermo dello smartphone, della batteria e delle funzioni 5G, nonché il miglioramento della velocità e della capacità di elaborazione e trasmissione dei dati, hanno portato le persone a prestare attenzione alla velocità di ricarica e alle dimensioni, al peso e al costo dell’adattatore da viaggio. Allo stesso tempo, l’introduzione di un’unica piattaforma di ricarica flessibile (hardware e software), vale a dire il connettore USB-C (USB-C) o l’alimentatore programmabile (PPS) con trasmissione di potenza (USB-PD), significa che i consumatori non fare più affidamento sui prodotti energetici forniti dagli OEM.

Egli ritiene che la chiave per migliorare la densità di potenza sia aumentare la frequenza di commutazione e ridurre al minimo i componenti passivi come trasformatori, filtri EMI, condensatori di uscita e di grande capacità. Già nel 1996, la comunità accademica aveva proposto una topologia ad alta velocità come Active Clamped Flyback (ACF), ma era frustrata dalla scarsa resistenza in conduzione e dalle prestazioni di commutazione, dalla complessità del silicio e dalla mancanza di un circuito integrato di controllo ottimale.

All'inizio del 2018, l'introduzione del circuito integrato di potenza GaN ha posto fine a questa situazione, che non solo ha reso l'ACF commercialmente fattibile, ma ha anche reso possibile la ricarica flyback quasi risonante ad alta frequenza del caricabatterie per smartphone, nonché il CrCM (modalità di conduzione critica) ) potenziare la topologia PFC (correzione del fattore di potenza), LLC (controller risonante) ad alta velocità e PFC totem CrCM avanzato per sistemi di potenza più elevata come computer notebook da gioco, PC integrati, televisori e alimentatori per unità trasmittenti 5G commercialmente fattibili.

Il circuito integrato di potenza GaN integra un FET di potenza GaN e un driver GaN, oltre a controllo e protezione, in un unico package. Questi circuiti integrati di alimentazione GaNFast™ sono componenti di alimentazione con ingresso e uscita digitale facili da usare, ad alta velocità e ad alte prestazioni. Poiché il circuito di pilotaggio del gate non ha praticamente impedenza, non si verificano praticamente perdite quando viene spento dopo l'integrazione. Inoltre, le prestazioni di apertura possono essere controllate e personalizzate in base ai requisiti specifici dell'applicazione.

Qual è l'effetto? Il circuito integrato di alimentazione GaN funziona 20 volte più velocemente e 3 volte più velocemente rispetto al tradizionale design in silicio ed è stato utilizzato da OEM come Dell, Lenovo e Xiaomi per caricare rapidamente smartphone e laptop. Come si può vedere dal caricabatterie rapido OPPO Mini SuperVOOC Cookie da 50 W, la topologia GaN ad alta velocità elimina i componenti passivi e riduce le dimensioni del caricabatterie. Con il controller TI UCC28782 e una coppia di circuiti integrati di potenza GaNFast con configurazione a mezzo ponte, viene realizzato un flyback a pinza attiva ad alta efficienza con una velocità 10 volte superiore.

Test in condizioni di dura domanda di mercato

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"Attenti stress test di tensione e temperatura mostrano che i dispositivi di potenza GaN hanno l'elevata affidabilità richiesta dai mercati automobilistico e industriale", ha affermato Ron Barr, vicepresidente della qualità e dell'affidabilità di Transphorm.

I vantaggi dei MOSFET di potenza GaN a banda larga (WBG) ne fanno un componente sempre più importante in applicazioni complesse come i sottosistemi di alimentazione per automobili e l'alimentazione dei data center. Queste applicazioni presentano condizioni di lavoro impegnative e i guasti non possono essere tollerati a causa dei costi di garanzia delle automobili o degli elevati costi legati all'affidabilità dei data center. Nella scelta dei dispositivi di potenza, i progettisti devono assicurarsi che siano affidabili, robusti e durevoli.

Prendendo come esempio il GaN HEMT (transistor ad alta mobilità elettronica) TP65H035WSQA progettato da Transphorm a doppio chip normalmente spento, il GaN HEMT e un FET in silicio a bassa tensione normalmente spento sono collegati in serie per formare una struttura del dispositivo cascode.

Struttura della combinazione del simbolo cascode e del dispositivo cascode

Il dispositivo è confezionato in TO-247 e soddisfa lo standard AEC-Q101 a 175℃. Quando valutano l'affidabilità del prodotto, gli ingegneri progettisti necessitano di quattro "domini" di informazioni/dati sull'affidabilità per determinare se il dispositivo è adatto all'applicazione, tra cui: certificazione del prodotto; Test di vita altamente accelerato; Test di fallimento iniziale; Affidabilità sul campo.

Certificazione del prodotto

La certificazione dei prodotti segue principalmente due standard comuni nel settore. JEDEC JESD 47 è adatto ai dispositivi commerciali, mentre lo standard più rigoroso AEC-Q101 è adatto ai dispositivi di misura per veicoli. Ogni standard prevede una serie di test che i prodotti devono superare, come cicli di temperatura, polarizzazione inversa ad alta temperatura, polarizzazione di griglia ad alta temperatura, ecc., affinché tali prodotti possano essere considerati qualificati JEDEC o Q101.

高加速寿命试验

Il test di vita altamente accelerato (HALT) è un metodo ben definito, ovvero lo stress viene applicato al dispositivo a condizione che talvolta superi il limite della sua scheda tecnica fino a quando il dispositivo non si guasta. Allo stesso tempo, vengono raccolti i dati relativi al tempo necessario al guasto (TTF), in modo che sia possibile applicare un modello appropriato per prevedere la vita durevole (detta anche vita intrinseca).

Con polarizzazione inversa, un lotto di dispositivi con tensione nominale di 650 V con tensioni comprese tra 1050 V e 1150 V in stato spento è stato testato fino a quando la maggior parte dei dispositivi non si è guastata. Quindi calcolare il tempo medio fino al guasto in ciascuna serie di condizioni.

图源 | Il limite

In modo simile, il dispositivo dovrebbe essere testato per verificarne il guasto a tre diverse temperature. In condizioni di test accelerate si ottengono tre diverse tensioni e tre diverse temperature. Ora, il tempo di fallimento di ciascun test viene normalizzato in base a una serie di condizioni di utilizzo, che in genere derivano dal riepilogo delle attività dell'applicazione. Nell'esempio, viene selezionata una serie di condizioni estreme per calcolare la durata del dispositivo da 650 V 175 ℃ con ciclo di lavoro del 100%.

Tutti i dati del test possono essere combinati in un modello chiamato "grafico di utilizzo". Questo grafico mostra la probabilità di guasto tracciata in base al tempo di guasto nelle condizioni di utilizzo.

La pratica comune è definire la vita del dispositivo quando la probabilità di guasto è 100 PPM. In questo esempio si tratta di 106 ore di funzionamento continuo per 100 anni.

早期失效试验

Il test di guasto precoce viene utilizzato per calcolare il rischio di garanzia nell'applicazione e testare la probabilità di guasto prima che il dispositivo venga danneggiato. I guasti precoci (tasso di fallimento precoce) di solito si verificano a causa di difetti non rilevati o eliminati nel processo di produzione, che di solito vengono chiamati "difetti interni". Nel caso dei dispositivi GaN, questi difetti intrinseci porteranno alla distorsione del campo elettrico e al guasto accelerato delle posizioni dei difetti.

Per effettuare test significativi, dovremmo provare a testare un campione di dispositivi molto più ampio rispetto al test HALT descritto in precedenza, in modo da aumentare la probabilità di individuare difetti intrinseci. Il metodo di utilizzo è descritto dettagliatamente nello standard JEDEC JESD 74A, disponibile sul sito web JEDEC.

I guasti precoci vengono generalmente calcolati mediante FIT (tasso di guasti per miliardi di ore) o PPM/anno. I dati mostrano che il tasso FIT è molto basso, il che potrebbe indicare un'ottima affidabilità sul campo.

现场可靠性

Il calcolo dell'affidabilità in loco di Transphorm segue la pratica del settore e tiene conto del numero di dispositivi consegnati, della durata di utilizzo sul campo e del numero di dispositivi che si sono guastati come segnalato dai clienti. Naturalmente non tutti i prodotti possono essere consegnati o utilizzati immediatamente. Per essere prudenti, il numero totale di ore del dispositivo verrà dimezzato. Il tempo di lavoro dei dispositivi Transphorm sul campo supera di gran lunga i 7 miliardi di ore. Finora è stato restituito due volte e la sua affidabilità sul campo è inferiore a 1FIT.

“I test dimostrano che i suddetti dispositivi di potenza GaN superano gli impegnativi requisiti di affidabilità degli OEM automobilistici e industriali. L'affidabilità di questi dispositivi GaN è almeno uguale a quella delle tecnologie esistenti al silicio e di altre tecnologie ad ampio gap di banda, e spesso è migliore", ha concluso fiducioso Barr.

GaN栅极驱动的新要求

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"Il GaN a basso consumo energetico è il prossimo passo rivoluzionario, che aprirà una nuova era per le applicazioni dell'elettronica di potenza. Tuttavia, è necessario prestare attenzione ad alcuni problemi quando si utilizza la nuova tecnologia dei transistor di potenza", Eric Persson, ingegnere capo senior di Infineon Tecnologia, ha sottolineato.

L'interruttore di alimentazione svolge un ruolo importante nel migliorare le prestazioni, la densità e il costo dell'adattatore. Tradizionalmente, i transistor di potenza utilizzati come interruttori sono a base di silicio e la tendenza mostra chiaramente che i transistor ad ampio bandgap, in particolare GaN, stanno diventando lo standard degli adattatori ad alte prestazioni e di piccole dimensioni.

Guardando indietro allo sviluppo della tecnologia dei transistor di potenza, fino ad oggi, il transistor SJ (super giunzione) in silicio è stata la principale tecnologia dei transistor utilizzata nei caricabatterie/adattatori. Può fornire bassa resistenza in conduzione, eccellente capacità di gestione della corrente, semplice azionamento del gate e affidabilità comprovata nel tempo in un pacchetto piccolo, il tutto a basso costo.

Tuttavia, considerando l'ampio intervallo di tensione richiesto dall'adattatore e i transitori di sovratensione causati dall'induttanza di dispersione e dai transitori di fulmini, spesso anche i transistor da 650 V non sono sufficienti, richiedendo dispositivi da 700-800 V. E questo è un aspetto in cui il GaN presenta evidenti vantaggi rispetto al silicio. Perché, quando la tensione applicata supera la tensione nominale, il transistor al silicio entrerà nello stato di guasto a valanga. Alcuni progetti utilizzano l'effetto Zener come buffer per sopprimere i transitori di sovratensione. Tuttavia, anche se l'energia si trova nell'area di lavoro sicura (SOA) del transistor, questo metodo aumenterà la perdita di potenza e potrebbe portare a ulteriori EMI (interferenze elettromagnetiche) indesiderate. Inoltre, una grande quantità di energia generata dal sovraccarico potrebbe superare l'energia della valanga e danneggiare il transistor.

Al contrario, la tensione nominale del transistor GaN è molto inferiore alla sua effettiva tensione di rottura distruttiva. La tensione nominale del transistor si basa sulle condizioni applicative specificate per soddisfare il livello di affidabilità richiesto per la vita del dispositivo. L'HEMT di tipo E di Coolgan 600 V, ad esempio, di solito ha una tensione di rottura distruttiva superiore a 1000 V e la sua tensione di impulso nominale è di 750 V in varie condizioni. Nella perfetta topologia di adattamento ACF, l'energia di dispersione è gestita dal circuito risonante e l'elevata tensione di impulso del GaN può regolare la tensione di sovratensione da fulmine.

La chiave per l'applicazione del transistor GaN è che i suoi requisiti di pilotaggio del gate sono diversi da quelli del transistor al silicio. Una differenza importante è che la soglia e la tensione gate-source (VGS) del GaN sono significativamente inferiori a quelle dei transistor al silicio. Sebbene ciò riduca la carica di gate, potrebbe anche presentare difficoltà nel mantenere spento il transistor. Nel circuito ACF, due transistor sono configurati come semiponti, l'interruttore principale è nella parte inferiore e il morsetto attivo viene utilizzato come interruttore high-side. Inoltre, il controller e il driver del transistor low-side sono alimentati da un alimentatore polarizzato. Ma il gate driver high-side necessita di un alimentatore flottante. Negli alimentatori di grandi telecomunicazioni o data center, è possibile utilizzare un singolo convertitore CC-CC per fornire alimentazione di polarizzazione flottante per il lato ad alta tensione. Ma nel caso dell'adattatore/caricatore, le dimensioni e il costo di questo metodo sono proibitivi.

Circuito semplificato con topologia flyback a morsetto attivo

Un metodo comune per alimentare il lato ad alta tensione è il cosiddetto alimentatore bootstrap, ovvero, quando il lato a bassa tensione è acceso, il condensatore di accumulo di energia polarizzato dal lato ad alta tensione viene caricato verso l'alto dall'alimentatore di polarizzazione del lato a bassa tensione tramite un diodo. Quando il lato ad alta tensione viene aperto, assorbirà la polarizzazione dal condensatore di accumulo di energia e questa deve essere ricaricata regolarmente (ogni volta che il lato a bassa tensione viene aperto). Quando il circuito funziona in modo continuo, questo è un metodo molto efficace ed economico per alimentare il lato ad alta tensione. Ma la sfida è come operare in modalità discontinua.

Quindi, come evitare la falsa accensione del lato alto quando il condensatore di bootstrap non è carico? Il circuito integrato generale del gate driver di talvolta include un design del circuito di bloccaggio, ma il metodo tradizionale per i transistor al silicio si basa su una tensione di soglia più elevata (come 3-4 V). Pertanto, se i circuiti iniziano a bloccarsi nell'intervallo 1-2 V, sfortunatamente avranno bisogno di centinaia di ns per iniziare a bloccarsi. I transistor GaN possono già condurre una grande quantità di corrente a queste tensioni di gate.

Per ottimizzare le prestazioni del driver a morsetto rapido combinato con un transistor GaN, è necessario ridurre al minimo l'impedenza di interferenza tra i due dispositivi. Yingling adotta il metodo di integrazione di transistor GaN high-side e low-side (190 mΩ) e li integra con un nuovo driver a mezzo ponte in un package iQFN 8x8 mm, realizzando così uno stadio di potenza integrato (IPS) a mezzo ponte.

Rispetto ai prodotti della concorrenza, questo metodo di integrazione e partizione presenta i seguenti vantaggi:

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发挥优势的时刻已经到来

I semiconduttori di terza generazione rappresentati dal nitruro di gallio e dal carburo di silicio hanno caratteristiche eccellenti come resistenza alle alte temperature, resistenza all'alta tensione, alta frequenza, alta potenza e resistenza alle radiazioni, e le limitazioni nella tecnologia e nei costi si stanno lentamente sciogliendo. Successivamente, dipende da come il lato applicativo può sfruttare appieno i propri vantaggi attraverso il test dei dispositivi, lo sviluppo dei driver e l'abbinamento dei componenti periferici.

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