Recentemente, li o artigo do professor Chen Yongzhen, da Universidade de Tecnologia de Liaoning, "O capacitor eletrolítico para GaN FET é apenas um artifício?" Há muitos sentimentos, então surgiu o capacitor eletrolítico para nitreto de gálio (GaN)FET (transistor de efeito de campo). Além de seu volume reduzido, sua indutância parasita não pode ser bastante reduzida quando o processo de fabricação não mudou substancialmente, e possui características de indutância em alta frequência de comutação, com harmônicos abundantemente mais elevados. Portanto, tal capacitor eletrolítico é desnecessário.

+Na verdade, no momento da iteração de uma nova geração de tecnologias inovadoras, sempre haverá lama e areia. No entanto, com o desenvolvimento de novas tecnologias de suporte periférico, o seu papel será cada vez mais importante, como os dispositivos de potência de nitreto de gálio. Vamos dar uma olhada no que os grandes fabricantes de café do setor disseram recentemente sobre o nitreto de gálio e que lições eles podem nos dar?

GaN se tornou um catalisador de energia 5G.

"O surgimento do nitreto de gálio atenderá à demanda do 5G, viabilizará uma nova topologia e mudará completamente o carregamento rápido", disse Stephen Oliver, vice-presidente de marketing corporativo e relações com investidores da Navitas Semiconductor.

De acordo com os dados divulgados pela GSMArena, desde 2010, o tamanho médio da tela e a capacidade da bateria das novas plataformas de telefonia móvel, como Apple iPhone 12, Xiaomi Mi11 e Samsung S21, aumentaram mais de três vezes. É inaceitável usar carregadores comerciais lentos de 5 W ou 20 W à base de silício para prolongar o tempo de carregamento, portanto, é necessária mais energia.

Como mostra a topologia tradicional de baixa frequência, obter mais energia do carregador de silício significa tamanho maior, peso maior e custo mais alto, e o design da densidade de potência e da densidade térmica são gargalos.

Em 10 anos, o tamanho da tela e a capacidade da bateria dos smartphones aumentaram mais de 3 vezes.

Oliver disse que o aumento da tela do smartphone, da bateria e das funções 5G, bem como o aprimoramento da taxa e capacidade de processamento e transmissão de dados, fez com que as pessoas prestassem atenção à velocidade de carregamento e ao tamanho, peso e custo do adaptador de viagem. Ao mesmo tempo, a introdução de uma plataforma de carregamento única e flexível (hardware e software), nomeadamente conector USB-C (USB-C) ou fonte de alimentação programável (PPS) com transmissão de energia (USB-PD), significa que os consumidores não não dependem mais de produtos de energia fornecidos por OEM.

Ele acredita que a chave para melhorar a densidade de potência é aumentar a frequência de comutação e minimizar componentes passivos, como transformadores, filtros EMI, capacitores de grande capacidade e de saída. Já em 1996, uma topologia de alta velocidade como Active Clamped Flyback (ACF) foi proposta pela comunidade acadêmica, mas foi frustrada pela baixa resistência e desempenho de comutação e complexidade do silício e pela falta de IC de controle ideal.

No início de 2018, a introdução do GaN power IC pôs fim a esta situação, o que não só tornou o ACF comercialmente viável, mas também tornou o carregamento flyback quase ressonante de alta frequência do carregador de smartphone, bem como o CrCM (modo de condução crítica ) aumentar a topologia PFC (correção do fator de potência), LLC (controlador ressonante) de alta velocidade e PFC totem avançado CrCM para sistemas de maior potência, como notebooks para jogos, PCs integrados, televisores e fontes de alimentação de unidades de transmissão 5G comercialmente viáveis.

O circuito integrado de potência GaN integra um FET de potência GaN e um driver GaN, além de controle e proteção em um único chip. Estes circuitos integrados de fonte de alimentação GaNFast™ são componentes de entrada e saída digitais fáceis de usar, de alta velocidade e alto desempenho. Como o circuito de acionamento do gate basicamente não possui impedância, quase não há perdas quando ele é desligado após a integração. Além disso, o desempenho de abertura pode ser controlado e personalizado de acordo com os requisitos específicos da aplicação.

Qual é o efeito? O GaN power IC funciona 20 vezes mais rápido e 3 vezes mais rápido do que o design tradicional de silício e tem sido usado por OEMs como Dell, Lenovo e Xiaomi para carregar rapidamente smartphones e laptops. Como pode ser visto no carregador rápido OPPO 50W Mini SuperVOOC Cookie, a topologia GaN de alta velocidade elimina componentes passivos e reduz o tamanho do carregador. Com o controlador TI UCC28782 e um par de circuitos de potência GaNFast com configuração de meia ponte, é obtido um flyback de grampo ativo de alta eficiência com velocidade 10 vezes mais rápida.

Testes sob forte demanda do mercado

图源 |网络

“Testes rigorosos de estresse de tensão e temperatura mostram que os dispositivos de potência GaN possuem a alta confiabilidade exigida pelos mercados automotivo e industrial”, disse Ron Barr, vice-presidente de qualidade e confiabilidade da Transphorm.

As vantagens do MOSFET de energia GaN de banda larga (WBG) fazem com que ele desempenhe um papel cada vez mais importante em ocasiões exigentes, como subsistema de energia automotiva e fonte de alimentação de data center. Essas aplicações apresentam condições de trabalho desafiadoras e falhas não podem ser toleradas devido aos custos de garantia do automóvel ou aos altos custos relacionados à confiabilidade do data center. Ao selecionar dispositivos de energia, os engenheiros de projeto devem ter certeza de que eles são confiáveis, fortes e duráveis.

Tomando o GaN HEMT (transistor de alta mobilidade de elétrons) de esgotamento TP65H035WSQA projetado pela Transphorm normalmente desligado de chip duplo como exemplo, o GaN HEMT e um FET de silício de baixa tensão normalmente desligado são conectados em série para formar uma estrutura de dispositivo cascode.

Símbolo Cascade e estrutura de combinação de dispositivo cascode

O dispositivo é embalado em TO-247 e atende ao padrão AEC-Q101 a 175°C. Ao avaliar a confiabilidade do produto, os engenheiros de projeto precisam de quatro “domínios” de informações/dados de confiabilidade para determinar se o dispositivo é adequado para aplicação, incluindo: certificação do produto; Teste de vida altamente acelerado; Teste de falha na infância; Confiabilidade em campo.

Certificação do produto

A certificação de produtos segue principalmente dois padrões comuns na indústria. O JEDEC JESD 47 é adequado para dispositivos comerciais, enquanto o padrão mais rigoroso AEC-Q101 é adequado para dispositivos de medição de veículos. Cada padrão possui uma série de testes pelos quais os produtos devem passar, como ciclo de temperatura, polarização reversa de alta temperatura, polarização de grade de alta temperatura, etc., para que tais produtos possam ser considerados qualificados pelo JEDEC ou Q101.

高加速寿命试验

O teste de vida altamente acelerado (HALT) é um método bem definido, ou seja, o estresse é aplicado ao dispositivo sob a condição de que às vezes ultrapasse o limite de sua ficha técnica até que o dispositivo falhe. Ao mesmo tempo, são coletados os dados sobre o tempo até a falha (TTF), para que um modelo apropriado possa ser aplicado para prever a vida durável (também chamada de vida inerente).

Sob polarização reversa, um lote de dispositivos de tensão nominal de 650 V com tensões entre 1050 V e 1150 V no estado desligado foi testado até que a maioria dos dispositivos falhasse. Em seguida, calcule o tempo médio até a falha sob cada conjunto de condições.

图源 | A beira

De maneira semelhante, o dispositivo deve ser testado quanto a falhas em três temperaturas diferentes. Três tensões diferentes e três temperaturas diferentes são obtidas sob condições de teste acelerado. Agora, o tempo de falha de cada teste é normalizado sob um conjunto de condições de uso, que geralmente são derivadas do resumo da tarefa do aplicativo. No exemplo, um conjunto de condições extremas é selecionado para calcular a vida útil do dispositivo 650V 175℃ com ciclo de trabalho de 100%.

Todos os dados de teste podem ser combinados em um modelo, denominado “gráfico de uso”. Este gráfico mostra a probabilidade de falha plotada de acordo com o tempo de falha nas condições de uso.

A prática comum é definir a vida útil do dispositivo quando a probabilidade de falha for 100PPM. Neste exemplo, são 106 horas de operação contínua durante 100 anos.

早期失效试验

O teste de falha antecipada é usado para calcular o risco de garantia na aplicação e testar a probabilidade de falha antes que o dispositivo seja danificado. A falha precoce (taxa de falha precoce) geralmente ocorre devido a defeitos não encontrados ou eliminados no processo de fabricação, que geralmente são chamados de "defeitos internos". No caso de dispositivos GaN, esses defeitos inerentes levarão à distorção do campo elétrico e à falha acelerada das posições dos defeitos.

Para realizar testes significativos, devemos tentar testar uma amostra de dispositivos muito maior do que o teste HALT descrito anteriormente, a fim de aumentar a probabilidade de encontrar defeitos intrínsecos. O método de utilização está descrito detalhadamente na norma JEDEC JESD 74A, que pode ser obtida no site da JEDEC.

A falha no início da vida é geralmente calculada pela FIT (taxa de falha de bilhões de horas) ou PPM/ano. Os dados mostram que a taxa FIT é muito baixa, o que pode indicar uma confiabilidade de campo muito boa.

现场可靠性

O cálculo de confiabilidade no local do Transphorm segue a prática do setor e leva em consideração o número de dispositivos entregues, por quanto tempo serão usados ​​em campo e quantos dispositivos falharam, conforme relatado pelos clientes. É claro que nem todos os produtos podem ser entregues ou utilizados imediatamente. Para ser conservador, o número total de horas do dispositivo será reduzido pela metade. O tempo de trabalho dos dispositivos da Transphor em campo é muito superior a 7 bilhões de horas. Até agora, ele foi devolvido duas vezes e sua confiabilidade em campo é inferior a 1FIT.

“Os testes mostram que os dispositivos de energia GaN acima excedem os desafiadores requisitos de confiabilidade dos OEMs automotivos e industriais. A confiabilidade desses dispositivos GaN é pelo menos igual à do silício existente e de outras tecnologias de banda larga, e muitas vezes é melhor ", concluiu Barr com segurança.

GaN栅极驱动的新要求

图源 | Pinterest

“O baixo consumo de energia GaN é o próximo passo revolucionário, que abrirá uma nova era para aplicações de eletrônica de potência. No entanto, alguns problemas precisam ser observados ao usar a nova tecnologia de transistor de potência”, Eric Persson, engenheiro-chefe sênior da Infineon Tecnologia, apontou.

O botão liga / desliga desempenha um papel importante na melhoria do desempenho, densidade e custo do adaptador. Tradicionalmente, os transistores de potência usados ​​como comutadores são baseados em silício, e a tendência mostra claramente que os transistores de banda larga, especialmente GaN, estão se tornando o padrão de adaptadores de alto desempenho e tamanho pequeno.

Olhando para trás, para o desenvolvimento da tecnologia de transistor de potência, até hoje, o transistor SJ (super junção) de silício tem sido a principal tecnologia de transistor usada em carregadores/adaptadores. Ele pode fornecer baixa resistência, excelente capacidade de manuseio de corrente, acionamento simples de portão e confiabilidade comprovada em um pacote pequeno, todos de baixo custo.

No entanto, considerando a ampla faixa de tensão exigida pelo adaptador e o transitório de sobretensão causado pela indutância de vazamento e transitório de surto de raio, mesmo os transistores de 650V muitas vezes não são suficientes, exigindo dispositivos de 700-800V. E este é um aspecto em que o GaN tem vantagens óbvias sobre o silício. Porque, quando a tensão aplicada excede a tensão nominal, o transistor de silício entrará no estado de ruptura em avalanche. Alguns projetos usam o efeito Zener como buffer para suprimir transientes de sobretensão. No entanto, mesmo que a energia esteja na área de trabalho segura (SOA) do transistor, este método aumentará a perda de potência e poderá levar a EMI (interferência eletromagnética) indesejável adicional. Além disso, uma grande quantidade de energia gerada pelo surto pode exceder a energia da avalanche e danificar o transistor.

Pelo contrário, a tensão nominal do transistor GaN é muito inferior à sua tensão de ruptura destrutiva real. A tensão nominal do transistor é baseada nas condições de aplicação especificadas para atender ao nível de confiabilidade necessário para a vida útil do dispositivo. HEMT tipo E de coolgan 600v, por exemplo, geralmente tem uma tensão de ruptura destrutiva de mais de 1000V e sua classificação de tensão de pulso é de 750V sob várias condições. Na topologia de correspondência ACF perfeita, a energia de vazamento é gerenciada pelo circuito ressonante, e a alta tensão de pulso do GaN pode ajustar a tensão de surto do raio.

A chave para a aplicação do transistor GaN é que seus requisitos de acionamento de porta são diferentes daqueles do transistor de silício. Uma diferença importante é que o limite e a tensão total da porta-fonte (VGS) do GaN são significativamente mais baixos do que os dos transistores de silício. Embora isto reduza a carga da porta, também pode apresentar desafios para manter o transistor desligado. No circuito ACF, dois transistores são configurados como meias-pontes, a chave principal fica na parte inferior e o grampo ativo é usado como chave do lado alto. E o controlador e o driver do transistor do lado inferior são alimentados por uma fonte de alimentação polarizada. Mas o gate driver do lado alto precisa de uma fonte de alimentação flutuante. Em grandes fontes de alimentação de telecomunicações ou data centers, um único conversor DC-DC pode ser usado para fornecer energia de polarização flutuante para o lado de alta tensão. Mas no adaptador/carregador, o tamanho e o custo deste método são proibitivos.

Circuito simplificado de topologia flyback de braçadeira ativa

Um método comum de fornecer energia ao lado de alta tensão é a chamada fonte de alimentação bootstrap, ou seja, quando o lado de baixa tensão é ligado, o capacitor de armazenamento de energia polarizado pelo lado de alta tensão é carregado para cima a partir do lado de alta tensão. fonte de alimentação de polarização lateral de baixa tensão através de um diodo. Quando o lado de alta tensão for aberto, ele atrairá polarização do capacitor de armazenamento de energia e deverá ser reabastecido regularmente (cada vez que o lado de baixa tensão for aberto). Quando o circuito funciona continuamente, este é um método muito eficaz e de baixo custo para fornecer energia ao lado de alta tensão. Mas o desafio é como operar em modo descontínuo.

Então, como evitar a falsa ativação do lado alto quando o capacitor de bootstrap não está carregado? O CI geral do gate driver às vezes inclui um projeto de circuito de fixação, mas o método tradicional para transistores de silício depende de uma tensão de limite mais alta (como 3-4V). Portanto, se os circuitos começarem a grampear na faixa de 1-2V, infelizmente, eles precisarão de centenas de ns para começar a grampear. Os transistores GaN já podem conduzir uma grande quantidade de corrente nessas tensões de porta.

Para otimizar o desempenho do driver de grampo rápido combinado com o transistor GaN, a impedância de interferência entre eles deve ser minimizada. A Yingling adota o método de integração de transistores GaN de lado alto e lado baixo (190 mΩ) e os integra a um novo driver de meia ponte em um encapsulamento iQFN de 8 × 8 mm, criando assim um estágio de potência integrado (IPS) de meia ponte.

Comparado com produtos concorrentes, este método de integração e partição tem as seguintes vantagens:

Escreva no final

发挥优势的时刻已经到来

Os semicondutores de terceira geração representados por nitreto de gálio e carboneto de silício têm excelentes características, como resistência a altas temperaturas, resistência a altas tensões, alta frequência, alta potência e resistência à radiação, e as limitações em tecnologia e custo estão desaparecendo lentamente. Em seguida, depende de como o lado do aplicativo pode aproveitar ao máximo suas vantagens por meio de testes de dispositivos, desenvolvimento de drivers e correspondência de componentes periféricos.

Isenção de responsabilidade: este artigo foi reproduzido de "e eefocus não-web". Este artigo representa apenas as opiniões pessoais do autor e não representa as opiniões da Sacco Micro e da indústria. Destina-se apenas à reimpressão e partilha para apoiar a proteção dos direitos de propriedade intelectual. Por favor, indique a fonte original e o autor ao reimprimir. Se houver alguma violação, entre em contato conosco para excluí-la.