Onlangs las ik het artikel van professor Chen Yongzhen van de Liaoning University of Technology: "Is de elektrolytische condensator voor GaN FET slechts een gimmick?" Er zijn veel gevoelens, dus de elektrolytische condensator voor galliumnitride (GaN)FET (veldeffecttransistor) ontstond. Afgezien van het verminderde volume, kan de parasitaire inductie niet sterk worden verminderd als het fabricageproces niet substantieel is veranderd, en heeft het inductiekarakteristieken bij hoge schakelfrequentie, met overvloedige hogere harmonischen. Daarom is een dergelijke elektrolytische condensator niet nodig.

+Op het moment dat er een nieuwe generatie innovatieve technologieën wordt geïntroduceerd, zal er altijd modder en zand zijn. Met de ontwikkeling van de perifere ondersteunende technologie van nieuwe technologie zal de rol ervan echter steeds belangrijker worden, zoals die van galliumnitride-energieapparaten. Laten we eens kijken naar wat de grote koffiezetapparaten in de sector onlangs over galliumnitride hebben gezegd, en welke lessen kunnen ze ons leren?

GaN is een 5G-energiekatalysator geworden.

“De opkomst van galliumnitride zal voldoen aan de vraag van 5G, een nieuwe topologie realiseren en het snelladen volledig veranderen”, zegt Stephen Oliver, vice-president corporate marketing en investor relations bij Navitas Semiconductor.

Volgens de gegevens van GSMArena zijn de gemiddelde schermgrootte en batterijcapaciteit van nieuwe mobiele telefoonplatforms zoals Apple iPhone 2010, Xiaomi Mi12 en Samsung S11 sinds 21 meer dan drie keer zo groot geworden. Het is onaanvaardbaar om langzame commerciële laders van 5 W of 20 W op siliciumbasis te gebruiken om de oplaadtijd te verlengen, dus er is meer vermogen nodig.

Zoals de traditionele laagfrequente topologie laat zien, betekent het verkrijgen van meer energie uit de siliciumlader een groter formaat, zwaarder gewicht en hogere kosten, en het ontwerp van de vermogensdichtheid en thermische dichtheid zijn knelpunten.

Binnen tien jaar zijn de schermgrootte en de batterijcapaciteit van smartphones ruim drie keer zo groot geworden.

Oliver zei dat de toename van het smartphonescherm, de batterij- en 5G-functies, evenals de verbetering van de gegevensverwerking en de transmissiesnelheid en -capaciteit, ervoor zorgden dat mensen aandacht gingen besteden aan de oplaadsnelheid en de grootte, het gewicht en de kosten van de reisadapter. Tegelijkertijd betekent de introductie van één enkel flexibel laadplatform (hardware en software), namelijk USB-C-connector (USB-C) of programmeerbare voeding (PPS) met krachtoverbrenging (USB-PD), dat consumenten geen vertrouwen niet langer op energieproducten van OEM.

Hij is van mening dat de sleutel tot het verbeteren van de vermogensdichtheid het verhogen van de schakelfrequentie is en het minimaliseren van passieve componenten zoals transformatoren, EMI-filters, grote capaciteit en uitgangscondensatoren. Al in 1996 werd een hogesnelheidstopologie zoals Active Clamped Flyback (ACF) voorgesteld door de academische gemeenschap, maar deze werd gefrustreerd door de slechte aan-weerstand en schakelprestaties en complexiteit van silicium en het gebrek aan optimale controle-IC.

Begin 2018 maakte de introductie van GaN power IC een einde aan deze situatie, waardoor ACF niet alleen commercieel haalbaar werd, maar ook hoogfrequente quasi-resonante flyback-oplading van smartphone-opladers, evenals CrCM (critical conduction mode) mogelijk werd. ) boost PFC (power factor correction) topologie, high-speed LLC (resonante controller) en geavanceerde CrCM totempaal PFC voor systemen met een hoger vermogen, zoals gaming-notebookcomputers, geïntegreerde pc's, televisies en voedingen voor 5G-zendeenheden die commercieel haalbaar zijn.

De GaN Power IC integreert een GaN Power FET en GaN driver plus besturing en beveiliging in één chip. Deze GaNFast® voeding-IC's zijn gebruiksvriendelijke, snelle en krachtige digitale input- en outputvoedingscomponenten. Omdat het gate-aandrijfcircuit in principe geen impedantie heeft, is er vrijwel geen verlies wanneer het na integratie wordt uitgeschakeld. Bovendien kan de openingsprestatie worden geregeld en aangepast aan de specifieke toepassingsvereisten.

Wat is het effect? GaN power IC werkt 20 keer sneller en 3 keer hoger dan het traditionele siliciumontwerp, en wordt gebruikt door OEM's zoals Dell, Lenovo en Xiaomi om smartphones en laptops snel op te laden. Zoals te zien is bij de OPPO 50W Mini SuperVOOC Cookie Quick Charger, elimineert de snelle GaN-topologie passieve componenten en verkleint de oplader. Met de TI UCC28782-controller en een paar GaNFast-power-ics met halve brugconfiguratie wordt een zeer efficiënte actieve klemflyback met 10 keer hogere snelheid gerealiseerd.

Testen onder harde marktvraag

图源 |网络

“Zorgvuldige spannings- en temperatuurstresstests tonen aan dat GaN-stroomapparaten een hoge betrouwbaarheid hebben die vereist wordt door de automobiel- en industriële markten”, aldus Ron Barr, vice-president kwaliteit en betrouwbaarheid van Transphorm.

De voordelen van GaN-vermogens-MOSFET's met een brede bandgap (WBG) maken dat ze een steeds belangrijkere rol spelen in veeleisende situaties zoals de stroomvoorziening van auto's en datacenters. Deze toepassingen werken onder uitdagende omstandigheden en storingen zijn onacceptabel vanwege de hoge kosten van autogaranties of de hoge kosten die gepaard gaan met de betrouwbaarheid van datacenters. Bij de selectie van voedingscomponenten moeten ontwerpers er zeker van zijn dat ze betrouwbaar, sterk en duurzaam zijn.

Als we de uitputting GaN HEMT (transistor met hoge elektronenmobiliteit) TP65H035WSQA, ontworpen door Transphorm normal-off dual-chip, als voorbeeld nemen, worden de GaN HEMT en een normaal-off laagspannings-silicium-FET in serie geschakeld om een ​​cascode-apparaatstructuur te vormen.

Cascode-symbool en cascode-apparaatcombinatiestructuur

Het apparaat is verpakt in TO-247 en voldoet aan de AEC-Q101-norm bij 175℃. Bij het evalueren van de productbetrouwbaarheid hebben ontwerpingenieurs vier "domeinen" van betrouwbaarheidsinformatie/gegevens nodig om te bepalen of het apparaat geschikt is voor toepassing, waaronder: productcertificering; Sterk versnelde levenstest; Mislukkingstest in het vroege leven; Betrouwbaarheid in het veld.

Productcertificering

Productcertificering volgt hoofdzakelijk twee gangbare normen in de industrie. JEDEC JESD 47 is geschikt voor commerciële apparaten en de strengere AEC-Q101-norm is geschikt voor meetinstrumenten voor voertuigen. Elke norm omvat een reeks tests die producten moeten doorstaan, zoals temperatuurcycli, omgekeerde bias bij hoge temperaturen, grid bias bij hoge temperaturen, enz., zodat dergelijke producten als JEDEC- of Q101-gekwalificeerd kunnen worden beschouwd.

Er zijn geen producten beschikbaar

De sterk versnelde levensduurtest (HALT) is een goed gedefinieerde methode, dat wil zeggen dat er spanning wordt uitgeoefend op het apparaat onder de voorwaarde dat deze soms de limiet van het gegevensblad overschrijdt totdat het apparaat defect raakt. Tegelijkertijd worden de gegevens over de time to fail (TTF) verzameld, zodat een passend model kan worden toegepast om de duurzame levensduur (ook wel de inherente levensduur genoemd) te voorspellen.

Onder omgekeerde voorspanning werd een reeks apparaten met een nominale spanning van 650 V met spanningen tussen 1050 V en 1150 V in de uit-stand getest totdat de meeste apparaten uitvielen. Bereken vervolgens de gemiddelde tijd tot falen onder elke reeks omstandigheden.

图源 | De rand

Op een vergelijkbare manier moet het apparaat bij drie verschillende temperaturen op defecten worden getest. Onder versnelde testomstandigheden worden drie verschillende spanningen en drie verschillende temperaturen verkregen. Nu wordt de faaltijd van elke test genormaliseerd onder een reeks gebruiksomstandigheden, die meestal worden afgeleid uit de samenvatting van de applicatietaak. In het voorbeeld wordt een reeks extreme omstandigheden geselecteerd om de levensduur van een 650V 175℃-apparaat met een inschakelduur van 100% te berekenen.

Alle testgegevens kunnen worden gecombineerd in een model, de zogenaamde "gebruiksgrafiek". Deze grafiek toont de faalkans uitgezet volgens de faaltijd onder de gebruiksomstandigheden.

Het is gebruikelijk om de levensduur van het apparaat te definiëren wanneer de faalkans 100 ppm bedraagt. In dit voorbeeld is dat 106 uur continubedrijf gedurende 100 jaar.

Geen probleem

Vroegtijdige faaltesten worden gebruikt om het garantierisico bij de toepassing te berekenen en de faalkans te testen voordat het apparaat beschadigd raakt. Falen in het vroege leven (percentage vroege mislukkingen) treedt meestal op als gevolg van defecten die niet worden ontdekt of uitgesloten tijdens het productieproces, wat gewoonlijk "interne defecten" wordt genoemd. In het geval van GaN-apparaten zullen deze inherente defecten leiden tot vervorming van het elektrische veld en een versnelde uitval van defectposities.

Om zinvol te testen, moeten we proberen een veel groter aantal apparaten te testen dan de eerder beschreven HALT-test, om de kans op het vinden van intrinsieke defecten te vergroten. De gebruiksmethode wordt volledig beschreven in JEDEC-norm JESD 74A, die u kunt vinden op de website van JEDEC.

Falen in het vroege leven wordt meestal berekend aan de hand van FIT (Billion Hour Failure Rate) of PPM/jaar. Uit de gegevens blijkt dat het FIT-percentage erg laag is, wat op een zeer goede veldbetrouwbaarheid kan duiden.

现场可靠性

De betrouwbaarheidsberekeningen van Transphorm op locatie volgen de praktijk in de sector en houden rekening met het aantal geleverde apparaten, hoe lang deze in het veld zullen worden gebruikt en hoeveel apparaten defect zijn gegaan, zoals gerapporteerd door klanten. Uiteraard kunnen niet alle producten direct geleverd of gebruikt worden. Om conservatief te zijn wordt het totale aantal apparaaturen gehalveerd. De werktijd van de apparaten van Transphorm in het veld bedraagt ​​veel meer dan 7 miljard uur. Tot nu toe is het twee keer teruggestuurd en de betrouwbaarheid in het veld is minder dan 1FIT.

“Tests tonen aan dat de bovengenoemde GaN-voedingsapparaten de uitdagende betrouwbaarheidseisen van auto- en industriële OEM's overtreffen. De betrouwbaarheid van deze GaN-apparaten is op zijn minst gelijk aan die van bestaande silicium- en andere wide bandgap-technologieën, en is vaak beter, ‘concludeerde Barr vol vertrouwen.

GaN栅极驱动的新要求

图源 | Pinterest

"Laag stroomverbruik GaN is de volgende revolutionaire stap, die een nieuw tijdperk zal openen voor vermogenselektronicatoepassingen. Er moet echter op enkele problemen worden gelet bij het gebruik van de nieuwe vermogenstransistortechnologie", zegt Eric Persson, senior hoofdingenieur van Infineon Technologie, benadrukt.

De aan/uit-schakelaar speelt een belangrijke rol bij het verbeteren van de prestaties, dichtheid en kosten van de adapter. Traditioneel zijn vermogenstransistors die als schakelaars worden gebruikt op silicium gebaseerd, en de trend laat duidelijk zien dat transistors met een grote bandafstand, vooral GaN, de standaard aan het worden zijn voor hoogwaardige adapters van kleine afmetingen.

Terugkijkend op de ontwikkeling van vermogenstransistortechnologie is de silicium SJ (superjunctie)-transistor tot op de dag van vandaag de belangrijkste transistortechnologie geweest die in lader/adapter wordt gebruikt. Het kan een lage aan-weerstand, uitstekende stroomverwerkingsmogelijkheden, eenvoudige poortaansturing en beproefde betrouwbaarheid bieden in een klein pakket, die allemaal goedkoop zijn.

Gezien het grote spanningsbereik dat de adapter nodig heeft en de overspanningstransiënt veroorzaakt door lekinductie en bliksemstoottransiënten, zijn zelfs 650V-transistors echter vaak niet genoeg, omdat ze apparaten van 700-800V vereisen. En dit is een aspect waarin GaN duidelijke voordelen heeft ten opzichte van silicium. Omdat, wanneer de aangelegde spanning de nominale spanning overschrijdt, de siliciumtransistor in de lawine-doorslagtoestand terechtkomt. Sommige ontwerpen gebruiken het Zener-effect als buffer om overspanningstransiënten te onderdrukken. Maar zelfs als de energie zich in het veilige werkgebied (SOA) van de transistor bevindt, zal deze methode het vermogensverlies vergroten en tot extra ongewenste EMI (elektromagnetische interferentie) leiden. Bovendien kan een grote hoeveelheid energie die door een stroomstoot wordt gegenereerd de lawine-energie overschrijden en de transistor beschadigen.

Integendeel, de nominale spanning van de GaN-transistor is veel lager dan de werkelijke destructieve doorslagspanning. De nominale spanning van de transistor is gebaseerd op de gespecificeerde toepassingsomstandigheden om te voldoen aan het betrouwbaarheidsniveau dat vereist is voor de levensduur van het apparaat. Het E-type HEMT van Coolgan 600V heeft bijvoorbeeld gewoonlijk een destructieve doorslagspanning van meer dan 1000 V, en de pulsspanning bedraagt ​​750 V onder verschillende omstandigheden. In de perfecte ACF-matching-topologie wordt de lekenergie beheerd door het resonantiecircuit, en de hoge pulsspanning van GaN kan de bliksemstootspanning aanpassen.

De sleutel tot de toepassing van een GaN-transistor is dat de vereisten voor poortaandrijving verschillen van die van een siliciumtransistor. Een belangrijk verschil is dat de drempelwaarde en de all-on-gate-source-spanning (VGS) van GaN aanzienlijk lager zijn dan die van siliciumtransistors. Hoewel dit de poortlading vermindert, kan het ook problemen opleveren bij het uitgeschakeld houden van de transistor. In een ACF-circuit zijn twee transistors geconfigureerd als halve bruggen, de hoofdschakelaar bevindt zich onderaan en de actieve klem wordt gebruikt als schakelaar aan de hoge kant. En de controller en de low-side transistordriver worden gevoed door een bias-voeding. Maar de high-side gate-driver heeft een zwevende voeding nodig. Bij de stroomvoorziening van grote telecom- of datacenters kan een enkele DC-DC-omzetter worden gebruikt om zwevende bias-stroom voor de hoogspanningszijde te leveren. Maar bij de adapter/oplader zijn de omvang en de kosten van deze methode onbetaalbaar.

Actieve klem-flyback-topologie vereenvoudigd circuit

Een veelgebruikte methode om de hoogspanningszijde van stroom te voorzien is de zogenaamde bootstrapvoeding. Dit houdt in dat wanneer de laagspanningszijde wordt ingeschakeld, de energieopslagcondensator die door de hoogspanningszijde wordt voorgespannen, via een diode omhoog wordt geladen vanuit de voorspanningsvoeding aan de laagspanningszijde. Wanneer de hoogspanningszijde wordt geopend, trekt deze spanning uit de energieopslagcondensator en moet deze regelmatig worden bijgevuld (elke keer dat de laagspanningszijde wordt geopend). Wanneer het circuit continu werkt, is dit een zeer effectieve en goedkope methode om de hoogspanningszijde van stroom te voorzien. De uitdaging is echter hoe te werken in discontinue modus.

Dus, hoe kun je de valse inschakeling van de hoge kant vermijden als de bootstrap-condensator niet is opgeladen? De algemene poortdriver-IC bevat soms een klemcircuitontwerp, maar de traditionele methode voor siliciumtransistors is gebaseerd op een hogere drempelspanning (zoals 3-4V). Als de circuits beginnen te klemmen in het bereik van 1-2V, hebben ze helaas honderden ns nodig om te beginnen met klemmen. GaN-transistoren kunnen bij deze poortspanningen al een grote hoeveelheid stroom geleiden.

Om de prestaties van een snelle clampdriver in combinatie met een GaN-transistor te optimaliseren, moet de interferentie-impedantie tussen beide worden geminimaliseerd. Yingling gebruikt de methode van integratie van high-side en low-side GaN-transistoren (190 mΩ) en integreert deze met een nieuwe halfbrugdriver in een iQFN 8×8 mm behuizing, waardoor een halfbrug-geïntegreerde eindtrap (IPS) ontstaat.

Vergeleken met concurrerende producten heeft deze integratie- en partitiemethode de volgende voordelen:

Schrijf aan het einde

发挥优势的时刻已经到来

De halfgeleiders van de derde generatie, vertegenwoordigd door galliumnitride en siliciumcarbide, hebben uitstekende eigenschappen zoals hoge temperatuurbestendigheid, hoge spanningsweerstand, hoge frequentie, hoog vermogen en stralingsweerstand, en de beperkingen in technologie en kosten smelten langzaam weg. Vervolgens hangt het ervan af hoe de applicatiekant zijn voordelen ten volle kan benutten door middel van het testen van apparaten, de ontwikkeling van stuurprogramma's en het matchen van randcomponenten.

Disclaimer: dit artikel is overgenomen van "en niet-web eefocus". Dit artikel vertegenwoordigt alleen de persoonlijke mening van de auteur en vertegenwoordigt niet de mening van Sacco Micro en de industrie. Het herdrukken en delen is alleen bedoeld om de bescherming van intellectuele eigendomsrechten te ondersteunen. Vermeld bij herdruk de originele bron en auteur. Als er sprake is van inbreuk, neem dan contact met ons op om deze te verwijderen.