最近、遼寧理工大学のChen Yongzhen教授の「GaN FET用の電解コンデンサはただのギミックなのか？」という論文を読みました。 たくさんのこだわりから、窒化ガリウム（GaN）FET（電界効果トランジスタ）用電解コンデンサが誕生しました。体積が小さくなった以外に、製造プロセスが大きく変わっていない場合、寄生インダクタンスを大幅に減らすことができず、高調波が多く含まれる高いスイッチング周波数でインダクタンス特性を持ちます。 したがって、このような電解コンデンサは不要である。

+実際、新世代の革新的なテクノロジーが繰り返される瞬間には、常に泥と砂が存在します。 しかし、窒化ガリウムパワーデバイスなど、新技術の周辺支援技術の発展に伴い、その役割はますます重要になります。 業界の大手コーヒーメーカーが窒化ガリウムについて最近何を言ったかを見てみましょう。そして、彼らは私たちにどのような教訓を与えてくれるでしょうか?

GaN は 5G エネルギー触媒になりました。

「窒化ガリウムの出現は5Gの需要を満たし、新しいトポロジーを実現し、急速充電を完全に変えるでしょう」とナビタス・セミコンダクターのコーポレート・マーケティングおよび投資家向け広報担当バイスプレジデントのスティーブン・オリバー氏は述べています。

GSMArenaが発表したデータによると、2010年以降、Apple iPhone 12、Xiaomi Mi11、Samsung S21などの新しい携帯電話プラットフォームの平均画面サイズとバッテリー容量はXNUMX倍以上増加しました。 充電時間を延長するために低速のシリコンベースの 5W または 20W の市販の充電器を使用することは受け入れられないため、より多くの電力が必要になります。

従来の低周波トポロジが示すように、シリコン充電器からより多くのエネルギーを得るには、サイズが大きくなり、重量が重くなり、コストが高くなり、電力密度と熱密度の設計がボトルネックになります。

10 年以内に、スマートフォンの画面サイズとバッテリー容量は 3 倍以上に増加しました。

オリバー氏は、スマートフォンの画面、バッテリー、5G機能の増加、データ処理と通信速度と容量の向上により、人々は充電速度やトラベルアダプターのサイズ、重量、コストに注目するようになったと述べた。同時に、単一の柔軟な充電プラットフォーム (ハードウェアとソフトウェア)、つまり USB-C コネクタ (USB-C) または電力伝送 (USB-PD) を備えたプログラマブル電源 (PPS) の導入は、消費者が充電を必要としないことを意味します。 OEM が提供する電源製品に依存する必要がなくなりました。

同氏は、電力密度を向上させる鍵は、スイッチング周波数を高め、トランス、EMIフィルタ、大容量コンデンサ、出力コンデンサなどの受動部品を最小限に抑えることであると考えています。 1996 年にはアクティブ クランプ フライバック (ACF) などの高速トポロジが学術コミュニティによって提案されましたが、シリコンのオン抵抗とスイッチング性能の貧弱さと複雑さ、および最適な制御 IC の欠如によって挫折しました。

2018年初頭、GaNパワーICの導入によりこの状況に終止符が打たれ、ACFが実用化されただけでなく、スマートフォン充電器の高周波擬似共振フライバック充電やCrCM（臨界伝導モード）も可能になりました。 ) ブースト PFC (力率補正) トポロジー、高速 LLC (共振コントローラー)、および高度な CrCM トーテムポール PFC は、ゲーム用ノートブック コンピューター、統合型 PC、テレビ、5G 送信ユニット電源などの高電力システム向けに商業的に実現可能です。

GaNパワーICは、GaNパワーFETとGaNドライバに加え、制御・保護機能をワンチップパッケージに統合しています。これらのGaNFast™電源ICは、使いやすく、高速・高性能なデジタル入出力電源コンポーネントです。ゲート駆動回路は基本的に無インピーダンスであるため、集積化後にオフにしても損失はほぼゼロです。さらに、特定のアプリケーション要件に応じて、オープン性能を制御・カスタマイズできます。

効果は何ですか? GaN パワー IC は、従来のシリコン設計よりも 20 倍高速かつ 3 倍高速で動作し、Dell、Lenovo、Xiaomi などの OEM によってスマートフォンやラップトップの急速充電に使用されています。 OPPO 50W Mini SuperVOOC Cookie Quick Charger からわかるように、高速 GaN トポロジーにより受動部品が不要になり、充電器のサイズが縮小されます。 TI UCC28782 コントローラーと 10 組のハーフブリッジ構成 GaNFast パワー IC により、XNUMX 倍高速な高効率アクティブ クランプ フライバックが実現されます。

厳しい市場需要の下でのテスト

画像ソース |ネットワーク

「慎重な電圧および温度ストレステストにより、GaNパワーデバイスは自動車および産業市場で要求される高い信頼性を備えていることが示されました」とTransphorm社の品質および信頼性担当バイスプレジデントのロン・バー氏は述べています。

ワイドバンドギャップ（WBG）GaNパワーMOSFETは、その優れた特性により、自動車の電源サブシステムやデータセンターの電源といった要求の厳しい用途において、ますます重要な役割を果たしています。これらのアプリケーションは動作条件が厳しく、自動車の保証費用やデータセンターの信頼性に関わる高額なコストを考慮すると、故障は許容できません。パワーデバイスを選択する際には、設計エンジニアは信頼性、強度、耐久性に優れたデバイスを選定する必要があります。

Transphorm社のノーマリーオフデュアルチップ設計のデプレッションGaN HEMT（高電子移動度トランジスタ）TP65H035WSQAを例にとると、GaN HEMTとノーマリオフの低電圧シリコンFETが直列に接続され、カスコードデバイス構造を形成しています。

カスコードシンボルとカスコードデバイスの組み合わせ構造

このデバイスは TO-247 にパッケージされており、101℃で AEC-Q175 規格に適合します。製品の信頼性を評価する場合、設計エンジニアは、デバイスがアプリケーションに適しているかどうかを判断するために、次の XNUMX つの「ドメイン」の信頼性情報/データが必要です。高度加速寿命試験。初期故障テスト。フィールドの信頼性。

認証製品

製品認証は、主に業界で一般的な47つの規格に準拠しています。JEDEC JESD 101は商用デバイスに適しており、より厳格なAEC-Q101規格は車両計器デバイスに適しています。各規格には、温度サイクル、高温逆バイアス、高温グリッドバイアスなど、製品が合格しなければならない一連の試験があり、合格した製品はJEDECまたはQXNUMXの認定を受けることができます。

高加速寿命誌

高度加速寿命試験 (HALT) は、明確に定義された方法です。つまり、デバイスが故障するまで、データシートの制限を時々超える条件下でデバイスにストレスが加えられます。同時に、故障までの時間 (TTF) に関するデータが収集されるため、適切なモデルを適用して耐久寿命 (固有寿命とも呼ばれます) を予測できます。

逆バイアス下で、オフ状態での電圧が 650V ～ 1050V である 1150V 定格電圧のデバイスのバッチを、ほとんどのデバイスが故障するまでテストしました。次に、各条件下で故障までの平均時間を計算します。

画像ソース |ザ・ヴァージ

同様の方法で、デバイスの故障を 650 つの異なる温度でテストする必要があります。加速試験条件下では、175 つの異なる電圧と 100 つの異なる温度が得られます。現在、各テストの失敗時間は、通常はアプリケーション タスクの概要から導出される一連の使用条件に基づいて正規化されています。この例では、XNUMX% デューティ サイクルで XNUMXV、XNUMX℃ のデバイスの寿命を計算するために、一連の極端な条件が選択されています。

すべてのテスト データは、「使用状況グラフ」と呼ばれるモデルに組み合わせることができます。このグラフは、使用条件下での故障時間に応じた故障確率をプロットしたものです。

一般的には、故障確率が 100PPM の場合のデバイス寿命を定義します。この例では、106 年間 100 時間の連続運転になります。

初期損失蕈试验

初期故障テストは、アプリケーションの保証リスクを計算し、デバイスが損傷する前に故障の確率をテストするために使用されます。初期故障 (初期故障率) は、通常、製造プロセスで発見されなかった欠陥または選別されなかった欠陥によって発生します。これは通常「内部欠陥」と呼ばれます。 GaN デバイスの場合、これらの固有の欠陥は電界歪みを引き起こし、欠陥位置の故障を加速させます。

有意義なテストを行うには、前述のHALTテストよりもはるかに大規模なデバイスサンプルでテストを実施し、本質的な欠陥を発見する確率を高める必要があります。その方法はJEDEC規格JESD 74Aに詳細に記載されており、JEDECのウェブサイトから入手できます。

初期故障は通常、FIT (10 億時間故障率) または PPM/年で計算されます。データは FIT 率が非常に低いことを示しており、これはフィールドの信頼性が非常に優れていることを示している可能性があります。

现场可靠性

Transphorm のオンサイト信頼性の計算は業界の慣例に従っており、納入されたデバイスの数、現場で使用される期間、顧客から報告された故障したデバイスの数が考慮されます。もちろん、すべての製品がすぐに配送され、使用できるわけではありません。控えめに言っても、デバイスの総使用時間は半分になります。 Transphorm のデバイスの現場での稼働時間は 7 億時間をはるかに超えています。これまでに 1 回返却されており、フィールド信頼性は XNUMXFIT 未満です。

「テストの結果、上記の GaN パワー デバイスは自動車および産業用 OEM の厳しい信頼性要件を超えていることがわかりました。これらのGaNデバイスの信頼性は、既存のシリコンや他のワイドバンドギャップ技術と少なくとも同等であり、多くの場合それよりも優れています」とバー氏は自信を持って結論づけた。

GaN栅駆動の新たな要求

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「低消費電力GaNは次の革命的なステップであり、パワーエレクトロニクスアプリケーションの新たな時代を切り開きます。しかし、新しいパワートランジスタ技術を使用する際には、いくつかの問題に注意する必要があります。」とインフィニオンのシニアチーフエンジニア、エリック・ペルソン氏は述べています。テクノロジー、指摘。

電源スイッチは、アダプターのパフォーマンス、密度、コストを向上させる上で重要な役割を果たします。従来、スイッチとして使用されるパワー トランジスタはシリコン ベースであり、この傾向はワイドバンドギャップ トランジスタ、特に GaN が高性能で小型のアダプタの標準になりつつあることを明確に示しています。

パワートランジスタ技術の発展を振り返ると、今日までシリコンSJ（スーパージャンクション）トランジスタが充電器/アダプターに使用される主要なトランジスタ技術でした。小さなパッケージで、低いオン抵抗、優れた電流処理能力、シンプルなゲート駆動、実績ある信頼性をすべて低コストで提供できます。

ただし、アダプターに必要な広い電圧範囲と、漏れインダクタンスや雷サージ過渡現象によって引き起こされる過電圧過渡現象を考慮すると、多くの場合、650V のトランジスタでも十分ではなく、700 ～ 800V のデバイスが必要になります。これは、GaN がシリコンに比べて明らかに優れている点の XNUMX つです。なぜなら、印加電圧が定格電圧を超えると、シリコントランジスタはアバランシェ降伏状態に陥ってしまうからです。一部の設計では、過電圧過渡現象を抑制するバッファとしてツェナー効果を使用します。ただし、エネルギーがトランジスタの安全作業領域 (SOA) 内にある場合でも、この方法では電力損失が増加し、望ましくない EMI (電磁干渉) がさらに発生する可能性があります。また、サージによって発生する大量のエネルギーがアバランシェエネルギーを超え、トランジスタを損傷する可能性があります。

それどころか、GaN トランジスタの定格電圧は実際の破壊電圧よりもはるかに低くなります。トランジスタの定格電圧は、デバイスの寿命に必要な信頼性レベルを満たすために、指定された使用条件に基づいています。たとえば、coolgan 600v の E タイプ HEMT の破壊耐圧は通常 1000 V 以上であり、そのパルス電圧定格はさまざまな条件下で 750 V です。完全な ACF マッチング トポロジでは、漏れエネルギーは共振回路によって管理され、GaN の高いパルス電圧定格により雷サージ電圧を調整できます。

GaN トランジスタのアプリケーションの鍵となるのは、そのゲート駆動要件がシリコン トランジスタの要件とは異なることです。重要な違いは、GaN のしきい値とオールオン ゲート-ソース電圧 (VGS) がシリコン トランジスタよりも大幅に低いことです。これによりゲート電荷は減少しますが、トランジスタをオフに保つのに課題が生じる可能性もあります。 ACF回路では、2つのトランジスタがハーフブリッジとして構成され、メインスイッチが下部にあり、アクティブクランプがハイサイドスイッチとして使用されます。また、コントローラーとローサイド トランジスタ ドライバーはバイアス電源から電力を供給されます。ただし、ハイサイドゲートドライバーにはフローティング電源が必要です。大規模な通信またはデータセンターの電源では、単一の DC-DC コンバータを使用して高電圧側にフローティング バイアス電力を供給できます。しかし、アダプター/充電器では、この方法のサイズとコストは法外です。

アクティブクランプフライバックトポロジーの簡素化された回路

高電圧側への電力供給方法としては、いわゆるブートストラップ電源が一般的です。つまり、低電圧側がオンになると、高電圧側でバイアスされたエネルギー蓄積コンデンサが、ダイオードを介して低電圧側バイアス電源から上向きに充電されます。高電圧側がオープンになると、エネルギー蓄積コンデンサからバイアスが引き出され、定期的に（低電圧側がオープンになるたびに）補充する必要があります。回路が連続動作する場合、これは高電圧側に電力を供給するための非常に効果的で低コストな方法です。しかし、課題は不連続モードでの動作方法です。

では、ブートストラップ コンデンサが充電されていないときに、ハイサイドの誤ったターンオンを回避するにはどうすればよいでしょうか?一般的なゲート ドライバ IC にはクランプ回路設計が含まれる場合がありますが、シリコン トランジスタの従来の方法はより高いしきい値電圧 (3 ～ 4 V など) に依存しています。したがって、回路が 1 ～ 2V の範囲でクランプを開始する場合、残念ながら、クランプを開始するまでに数百 ns を必要とします。 GaN トランジスタは、これらのゲート電圧ですでに大量の電流を流すことができます。

GaNトランジスタと組み合わせた高速クランプドライバの性能を最適化するには、両者間の干渉インピーダンスを最小限に抑える必要があります。Yinglingは、ハイサイドおよびローサイドGaNトランジスタ（190mΩ）を集積する手法を採用し、新しいハーフブリッジドライバと組み合わせることで、iQFN 8×8mmパッケージに統合し、ハーフブリッジ統合パワーステージ（IPS）を実現しました。

競合製品と比較して、この統合および分割方法には次の利点があります。

最後に書く

発行挥优势の時刻すでに到来

窒化ガリウムや炭化ケイ素に代表される第3世代半導体は、高温耐性、高電圧耐性、高周波、高出力、耐放射線性などの優れた特性を有しており、技術やコストの限界が徐々に溶けつつあります。次に、アプリケーション側がデバイスのテスト、ドライバーの開発、周辺部品のマッチングを通じて、その利点をいかに最大限に発揮できるかにかかっています。

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