Geçenlerde Liaoning Teknoloji Üniversitesi'nden Profesör Chen Yongzhen'in şu makalesini okudum: "GaN FET için elektrolitik kapasitör sadece bir hile mi?" Pek çok duygu var, bu nedenle galyum nitrür (GaN)FET (alan etkili transistör) için elektrolitik kapasitör ortaya çıktı. Azaltılmış hacminin yanı sıra, üretim süreci önemli ölçüde değişmediğinde parazitik endüktansı büyük ölçüde azaltılamaz ve yüksek anahtarlama frekansında, daha yüksek harmoniklerle birlikte endüktans özelliklerine sahiptir. Bu nedenle böyle bir elektrolitik kapasitör gereksizdir.

+Aslında yeni nesil yenilikçi teknolojilerin yinelendiği anda her zaman çamur ve kum olacaktır. Bununla birlikte, yeni teknolojinin çevresel destek teknolojisinin gelişmesiyle birlikte, galyum nitrür güç cihazları gibi rolü giderek daha önemli hale gelecektir. Sektördeki büyük kahve üreticilerinin son dönemde galyum nitrür hakkında söylediklerine bir göz atalım ve bize ne gibi dersler verebilirler?

GaN, 5G enerji katalizörü haline geldi.

Navitas Semiconductor kurumsal pazarlama ve yatırımcı ilişkilerinden sorumlu başkan yardımcısı Stephen Oliver, "Galyum nitrürün ortaya çıkışı 5G talebini karşılayacak, yeni bir topoloji gerçekleştirecek ve hızlı şarjı tamamen değiştirecek" dedi.

GSMArena'nın açıkladığı verilere göre 2010 yılından bu yana Apple iPhone 12, Xiaomi Mi11 ve Samsung S21 gibi yeni cep telefonu platformlarının ortalama ekran boyutu ve pil kapasitesi üç kattan fazla arttı. Şarj süresini uzatmak için yavaş silikon bazlı 5W veya 20W ticari şarj cihazlarının kullanılması kabul edilemez, dolayısıyla daha fazla güce ihtiyaç duyulur.

Geleneksel düşük frekanslı topolojinin gösterdiği gibi, silikon şarj cihazından daha fazla enerji elde etmek daha büyük boyut, daha ağır ağırlık ve daha yüksek maliyet anlamına gelir ve güç yoğunluğu ile termal yoğunluğun tasarımı darboğazlardır.

10 yıl içerisinde akıllı telefonların ekran boyutu ve pil kapasitesi 3 kattan fazla arttı.

Oliver, akıllı telefon ekranı, pil ve 5G fonksiyonlarının artmasının yanı sıra veri işleme, iletim hızı ve kapasitesinin artmasının, insanların şarj hızına ve seyahat adaptörünün boyutuna, ağırlığına ve maliyetine dikkat etmesini sağladığını söyledi. Aynı zamanda, tek, esnek bir şarj platformunun (donanım ve yazılım), yani USB-C konnektörü (USB-C) veya güç aktarımına (USB-PD) sahip programlanabilir güç kaynağının (PPS) piyasaya sürülmesi, tüketicilerin şarj Artık OEM tarafından sağlanan güç ürünlerine güveniyoruz.

Güç yoğunluğunu iyileştirmenin anahtarının anahtarlama frekansını artırmak ve transformatörler, EMI filtreleri, büyük kapasite ve çıkış kapasitörleri gibi pasif bileşenleri en aza indirmek olduğuna inanıyor. 1996 gibi erken bir tarihte, Akademik topluluk tarafından Aktif Sıkıştırmalı Geri Dönüş (ACF) gibi yüksek hızlı bir topoloji önerildi, ancak zayıf direnç ve anahtarlama performansı ve silikonun karmaşıklığı ve optimal kontrol IC'sinin eksikliği nedeniyle hayal kırıklığına uğradı.

2018'in başında, GaN güç IC'nin piyasaya sürülmesi bu duruma bir son verdi; bu, yalnızca ACF'yi ticari olarak mümkün kılmakla kalmadı, aynı zamanda akıllı telefon şarj cihazının ve ayrıca CrCM'nin (kritik iletim modu) yüksek frekanslı yarı rezonans geri dönüş şarjını da sağladı. ) oyun dizüstü bilgisayarları, entegre PC'ler, televizyonlar ve 5G verici ünite güç kaynakları gibi daha yüksek güç sistemleri için ticari olarak uygun PFC (güç faktörü düzeltme) topolojisini, yüksek hızlı LLC'yi (rezonans kontrolörü) ve gelişmiş CrCM totem direği PFC'yi güçlendirir.

GaN güç entegre devresi, GaN güç FET'i ve GaN sürücüsünün yanı sıra kontrol ve korumayı tek bir yonga paketinde birleştirir. Bu GaNFast® güç kaynağı entegre devreleri, kullanımı kolay, yüksek hızlı ve yüksek performanslı dijital giriş ve çıkış güç kaynağı bileşenleridir. Kapı sürücü devresi temelde empedans içermediğinden, entegrasyondan sonra kapatıldığında neredeyse hiç kayıp olmaz. Ayrıca, açma performansı özel uygulama gereksinimlerine göre kontrol edilebilir ve özelleştirilebilir.

Etkisi nedir? GaN güç IC, geleneksel silikon tasarımdan 20 kat daha hızlı ve 3 kat daha yüksek çalışır ve Dell, Lenovo ve Xiaomi gibi OEM'ler tarafından akıllı telefonları ve dizüstü bilgisayarları hızlı bir şekilde şarj etmek için kullanılır. OPPO 50W Mini SuperVOOC Cookie Hızlı Şarj Cihazından görülebileceği gibi, yüksek hızlı GaN topolojisi pasif bileşenleri ortadan kaldırır ve şarj cihazının boyutunu azaltır. TI UCC28782 denetleyici ve bir çift yarım köprü konfigürasyonlu GaNFast güç ic'leri ile 10 kat daha hızlı yüksek verimli aktif kelepçe geri dönüşü gerçekleştirilir.

Zorlu pazar talebi altında test etme

|网络

Transphorm'un kalite ve güvenilirlikten sorumlu başkan yardımcısı Ron Barr, "Dikkatli voltaj ve sıcaklık stres testleri, GaN güç cihazlarının otomotiv ve endüstriyel pazarların gerektirdiği yüksek güvenilirliğe sahip olduğunu gösteriyor" dedi.

Geniş bant aralığı (WBG) GaN güç MOSFET'inin avantajları, otomobil güç alt sistemi ve veri merkezi güç kaynağı gibi zorlu durumlarda giderek daha önemli bir rol oynamasını sağlar. Bu uygulamalar zorlu çalışma koşullarına sahiptir ve otomobil garanti maliyetleri veya veri merkezi güvenilirliğiyle ilgili yüksek maliyetler nedeniyle arızalara tolerans gösterilemez. Güç cihazlarını seçerken tasarım mühendisleri bunların güvenilir, güçlü ve dayanıklı olduğundan emin olmalıdır.

Transphorm tarafından tasarlanan, normalde kapalı olan çift çipli GaN HEMT (yüksek elektron hareketlilik transistörü) TP65H035WSQA tükenmesini örnek olarak alırsak, GaN HEMT ve normalde kapalı olan düşük voltajlı silikon FET, bir kaskod cihaz yapısı oluşturmak için seri olarak bağlanır.

Kaskod sembolü ve kaskod cihazı kombinasyon yapısı

Cihaz TO-247'de paketlenmiştir ve 101°C'de AEC-Q175 standardını karşılar. Ürün güvenilirliğini değerlendirirken tasarım mühendisleri, cihazın uygulamaya uygun olup olmadığını belirlemek için dört güvenilirlik bilgisi/veri "alanına" ihtiyaç duyarlar; bunlar arasında şunlar yer alır: ürün sertifikasyonu; Son derece hızlandırılmış yaşam testi; Erken yaşam başarısızlık testi; Saha güvenilirliği.

Bir başka deyişle

Ürün sertifikasyonu, sektördeki iki yaygın standardı temel alır. JEDEC JESD 47 ticari cihazlar için uygundur ve daha katı olan AEC-Q101 standardı araç ölçüm cihazları için uygundur. Her standart, ürünlerin geçmesi gereken bir dizi test içerir; örneğin sıcaklık döngüsü, yüksek sıcaklıkta ters öngerilim, yüksek sıcaklıkta şebeke öngerilim vb., böylece bu ürünler JEDEC veya Q101 sertifikalı olarak kabul edilebilir.

高加速寿命试验

Yüksek hızlandırılmış ömür testi (HALT), iyi tanımlanmış bir yöntemdir; yani, cihaz arızalanana kadar bazen veri sayfasının limitini aşması koşuluyla stres cihaza uygulanır. Aynı zamanda, arızaya kadar geçen süreye (TTF) ilişkin veriler toplanır, böylece dayanıklı ömrü (aynı zamanda doğal ömür olarak da adlandırılır) tahmin etmek için uygun bir model uygulanabilir.

Ters öngerilim altında, kapalı durumda 650V ile 1050V arasında gerilime sahip 1150V nominal gerilimli cihazlardan oluşan bir grup, çoğu cihaz arızalanana kadar test edildi. Daha sonra her koşul altında arızaya kadar geçen ortalama süreyi hesaplayın.

| Sınır

Benzer şekilde cihazın üç farklı sıcaklıkta arıza açısından test edilmesi gerekir. Hızlandırılmış test koşulları altında üç farklı voltaj ve üç farklı sıcaklık elde edilir. Artık her testin başarısızlık süresi, genellikle uygulama görev özetinden türetilen bir dizi kullanım koşulu altında normalleştirilir. Örnekte, %650 görev döngüsüne sahip 175V 100°C cihazın ömrünü hesaplamak için bir dizi ekstrem koşullar seçilmiştir.

Tüm test verileri "kullanım grafiği" adı verilen bir modelde birleştirilebilir. Bu grafik, kullanım koşulları altında arıza süresine göre çizilen arıza olasılığını gösterir.

Yaygın uygulama, arıza olasılığı 100PPM olduğunda cihaz ömrünü tanımlamaktır. Bu örnekte 106 yıl boyunca 100 saat sürekli çalışmadır.

早期失效试验

Erken arıza testi, uygulamadaki garanti riskini hesaplamak ve cihaz zarar görmeden arıza olasılığını test etmek için kullanılır. Erken yaşam arızası (erken arıza oranı), genellikle "iç kusurlar" olarak adlandırılan, üretim sürecinde bulunmayan veya elenemeyen kusurlardan dolayı meydana gelir. GaN cihazları söz konusu olduğunda, bu doğal kusurlar, elektrik alanında bozulmaya ve kusur konumlarının hızla bozulmasına yol açacaktır.

Anlamlı bir test yapabilmek için, daha önce açıklanan HALT testinden çok daha büyük bir cihaz örneğini test etmeye çalışmalıyız; böylece içsel kusurları bulma olasılığımız artar. Kullanım yöntemi, JEDEC web sitesinden edinilebilen JESD 74A standardında ayrıntılı olarak açıklanmıştır.

Erken yaşam arızası genellikle FIT (Milyar Saat Arıza Oranı) veya PPM/yıl ile hesaplanır. Veriler FIT oranının çok düşük olduğunu gösteriyor, bu da çok iyi bir saha güvenilirliğine işaret ediyor olabilir.

现场可靠性

Transphorm'un sahadaki güvenilirlik hesaplaması endüstri uygulamalarını takip ediyor ve teslim edilen cihaz sayısını, sahada ne kadar süreyle kullanılacağını ve müşteriler tarafından bildirilen kaç cihazın arızalandığını dikkate alıyor. Elbette tüm ürünler hemen teslim edilemiyor veya kullanılamıyor. İhtiyatlı olmak adına toplam cihaz saati sayısı yarıya indirilecektir. Transphorm cihazlarının sahadaki çalışma süresi 7 milyar saatin çok üzerindedir. Şu ana kadar iki kez iade edildi ve saha güvenilirliği 1FIT'ten az.

"Testler, yukarıdaki GaN güç cihazlarının, otomobil ve endüstriyel OEM'lerin zorlu güvenilirlik gereksinimlerini aştığını gösteriyor. Bu GaN cihazlarının güvenilirliği en azından mevcut silikon ve diğer geniş bant aralığı teknolojilerine eşittir ve çoğu zaman daha iyidir, "diye bitirdi Barr kendinden emin bir şekilde.

GaN 极驱动的新要求

| Pinterest'te

Infineon'un kıdemli baş mühendisi Eric Persson, "Düşük güç tüketimi GaN, güç elektroniği uygulamaları için yeni bir çağ açacak olan bir sonraki devrim niteliğindeki adımdır. Bununla birlikte, yeni güç transistör teknolojisini kullanırken bazı sorunlara dikkat edilmesi gerekir." Teknoloji dikkat çekti.

Güç anahtarı, adaptörün performansını, yoğunluğunu ve maliyetini artırmada önemli bir rol oynar. Geleneksel olarak anahtar olarak kullanılan güç transistörleri silikon bazlıdır ve trend, geniş bant aralıklı transistörlerin, özellikle GaN'nin, yüksek performanslı ve küçük boyutlu adaptörlerin standardı haline geldiğini açıkça göstermektedir.

Güç transistörü teknolojisinin gelişimine bakıldığında bugüne kadar silikon SJ (süper bağlantı) transistörü şarj cihazı/adaptörde kullanılan ana transistör teknolojisi olmuştur. Küçük bir pakette düşük direnç, mükemmel akım taşıma kapasitesi, basit kapı sürüşü ve zamanla kanıtlanmış güvenilirlik sağlayabilir ve bunların tümü düşük maliyetlidir.

Bununla birlikte, adaptörün gerektirdiği geniş voltaj aralığı ve kaçak endüktans ve yıldırım dalgalanmasının neden olduğu geçici aşırı voltaj göz önüne alındığında, 650V transistörler bile çoğu zaman yeterli değildir ve 700-800V cihazlar gerektirir. Ve bu, GaN'ın silikona göre bariz avantajlara sahip olduğu yönlerden biridir. Çünkü uygulanan gerilim anma gerilimini aştığında silikon transistör çığ gibi kırılma durumuna girecektir. Bazı tasarımlar geçici aşırı gerilimi bastırmak için Zener etkisini tampon olarak kullanır. Ancak enerji, transistörün güvenli çalışma alanında (SOA) olsa bile bu yöntem güç kaybını artıracak ve ilave istenmeyen EMI'ye (elektromanyetik girişim) yol açabilecektir. Ayrıca dalgalanmanın ürettiği enerjinin büyük bir kısmı çığ enerjisini aşabilir ve transistöre zarar verebilir.

Aksine, GaN transistörünün nominal voltajı, gerçek yıkıcı arıza voltajından çok daha düşüktür. Transistörün nominal voltajı, cihazın ömrü için gereken güvenilirlik seviyesini karşılamak üzere belirtilen uygulama koşullarına dayanmaktadır. Örneğin, coolgan 600v'nin E-tipi HEMT'si genellikle 1000V'un üzerinde yıkıcı bir arıza voltajına sahiptir ve çeşitli koşullar altında darbe voltajı değeri 750V'tur. Mükemmel ACF eşleştirme topolojisinde, kaçak enerji rezonans devresi tarafından yönetilir ve GaN'nin yüksek darbe voltajı değeri, yıldırım dalgalanma voltajını ayarlayabilir.

GaN transistörünün uygulanmasının anahtarı, geçit sürücü gereksinimlerinin silikon transistörünkinden farklı olmasıdır. Önemli bir fark, GaN'nin eşiğinin ve tüm geçit kaynağı voltajının (VGS), silikon transistörlerinkinden önemli ölçüde düşük olmasıdır. Bu, geçit yükünü azaltsa da, transistörün kapalı tutulmasında da zorluklar ortaya çıkarabilir. ACF devresinde iki transistör yarım köprü olarak yapılandırılmıştır, ana anahtar alttadır ve aktif kelepçe yüksek taraf anahtarı olarak kullanılır. Denetleyici ve düşük taraf transistör sürücüsüne öngerilimli bir güç kaynağı tarafından güç sağlanır. Ancak yüksek taraftaki kapı sürücüsünün değişken bir güç kaynağına ihtiyacı var. Büyük telekomünikasyon veya veri merkezi güç kaynağında, yüksek gerilim tarafı için değişken öngerilim gücü sağlamak için tek bir DC-DC dönüştürücü kullanılabilir. Ancak adaptör/şarj cihazında bu yöntemin boyutu ve maliyeti engelleyicidir.

Aktif kelepçe geri dönüş topolojisi basitleştirilmiş devre

Yüksek voltaj tarafına güç sağlamanın yaygın bir yöntemi, önyükleme güç kaynağıdır; yani, düşük voltaj tarafı açıldığında, yüksek voltaj tarafı tarafından öngerilimlenen enerji depolama kapasitörü, ön yükleme noktasından yukarıya doğru şarj edilir. bir diyot aracılığıyla düşük voltajlı yan önyargı güç kaynağı. Yüksek gerilim tarafı açıldığında, enerji depolama kondansatöründen öngerilim çekecektir ve düzenli olarak yenilenmesi gerekir (düşük gerilim tarafı her açıldığında). Devre sürekli çalıştığında yüksek gerilim tarafına güç sağlamak için bu oldukça etkili ve düşük maliyetli bir yöntemdir. Ancak zorluk, süreksiz modda nasıl çalışılacağıdır.

Peki, önyükleme kapasitörü şarj edilmediğinde yüksek tarafın yanlış açılmasını nasıl önleyebiliriz? Genel geçit sürücüsü IC'si bazen bir sıkıştırma devresi tasarımı içerir, ancak silikon transistörler için geleneksel yöntem daha yüksek bir eşik voltajına (3-4V gibi) dayanır. Bu nedenle devreler 1-2V aralığında kenetlenmeye başlarsa maalesef kenetlenmeye başlamak için yüzlerce ns'ye ihtiyaç duyarlar. GaN transistörleri zaten bu kapı voltajlarında büyük miktarda akım iletebilmektedir.

Hızlı kelepçe sürücüsünün GaN transistörle birlikte performansını optimize etmek için, aralarındaki girişim empedansının en aza indirilmesi gerekir. Yingling, yüksek ve düşük taraflı GaN transistörleri (190 m²) entegre etme yöntemini benimsemiş ve bunları iQFN 8×8 mm'lik bir pakette yeni bir yarım köprü sürücüyle entegre ederek yarım köprü entegre bir güç katı (IPS) oluşturmuştur.

Rakip ürünlerle karşılaştırıldığında bu entegrasyon ve bölme yöntemi aşağıdaki avantajlara sahiptir:

Sonunda yaz

发挥优势的时刻已经到来

Galyum nitrür ve silisyum karbür ile temsil edilen üçüncü nesil yarı iletkenler, yüksek sıcaklık direnci, yüksek voltaj direnci, yüksek frekans, yüksek güç ve radyasyon direnci gibi mükemmel özelliklere sahip olup, teknoloji ve maliyetteki sınırlamalar yavaş yavaş ortadan kalkmaktadır. Daha sonra, uygulama tarafının cihaz testi, sürücü geliştirme ve çevresel bileşen eşleştirme yoluyla avantajlarından tam anlamıyla nasıl yararlanabileceğine bağlıdır.

Yasal Uyarı: Bu makale "ve web dışı eefocus" sitesinden çoğaltılmıştır. Bu makale yalnızca yazarın kişisel görüşlerini temsil eder ve Sacco Micro ve sektörün görüşlerini temsil etmez. Fikri mülkiyet haklarının korunmasını desteklemek amacıyla yalnızca yeniden basılması ve paylaşılması içindir. Lütfen yeniden basarken orijinal kaynağı ve yazarını belirtin. Herhangi bir ihlal varsa, silmek için lütfen bizimle iletişime geçin.