GaN已成為5G能量催化劑
“氮化鎵的出現(xiàn)將滿足5G需求，實現(xiàn)新的拓撲結(jié)構(gòu)，并徹底改變快速充電，”Navitas Semiconductor企業(yè)營銷和投資者關(guān)系副總裁Stephen Oliver如是說。
GSMArena發(fā)布的數(shù)據(jù)表明，自2010年以來，蘋果iPhone 12、小米Mi11和三星S21等新手機平臺的平均屏幕尺寸和電池容量增加了3倍以上。使用速度慢的硅基5W或20W商用充電器的充電時間延長已令人不可接受，所以需要更大的功率。
正如傳統(tǒng)低頻拓撲結(jié)構(gòu)所呈現(xiàn)的那樣，要從硅充電器獲得更多能量意味著更大的尺寸、更重的重量和更高的成本，設(shè)計的功率密度和熱密度都出現(xiàn)了瓶頸。
10年內(nèi)智能手機屏幕尺寸和電池容量增加3倍以上
Oliver表示，智能手機屏幕、電池和5G功能的增加以及數(shù)據(jù)處理和傳輸速率和容量的增強，使人們開始關(guān)注充電速度及旅行適配器的尺寸、重量和成本。同時，引入單一、靈活的充電平臺（硬件和軟件），即帶電源傳輸（USB-PD）的通用串行總線“Type-C”連接器（USB-C）或可編程電源（PPS），意味著消費者不再依賴于OEM提供的電源產(chǎn)品。
他認為，提升功率密度的關(guān)鍵是提高開關(guān)頻率，盡量減少變壓器、EMI濾波器、大容量和輸出電容器等無源元件。早在1996年，像有源箝位反激（ACF）之類的高速拓撲自就已被學(xué)術(shù)界提出，但由于硅的不良導(dǎo)通電阻和開關(guān)性能及復(fù)雜性，又缺乏優(yōu)化控制IC而落地受挫。
2018年初，GaN功率IC的推出結(jié)束了這一局面，不僅使ACF具備了商業(yè)可行性，而且使智能手機充電器的高頻準諧振反激式充電，以及CrCM（臨界導(dǎo)通模式）升壓PFC（功率因數(shù)校正）拓撲結(jié)構(gòu)、用于游戲筆記本電腦、一體式PC、電視和5G發(fā)射單元電源等更高功率系統(tǒng)的高速LLC（諧振控制器）和先進CrCM圖騰柱PFC具備了商業(yè)可行性。
GaN功率IC在一個貼片封裝中集成了GaN功率FET和GaN驅(qū)動加控制和保護。這些GaNFast? 電源IC是易于使用、高速、高性能的數(shù)字輸入、輸出電源構(gòu)件。由于柵極驅(qū)動回路基本上沒有阻抗，集成后關(guān)斷時幾乎沒有損耗。此外，還可以根據(jù)特定應(yīng)用要求控制和定制開啟性能。
效果如何呢？GaN功率IC的運行速度比傳統(tǒng)硅設(shè)計快20倍，功率高3倍，并已被戴爾、聯(lián)想和小米等OEM用于智能手機和筆記本電腦的快速充電。從OPPO 50W Mini SuperVOOC Cookie快速充電器可以看出，高速GaN拓撲結(jié)構(gòu)消除了無源元件，讓充電器尺寸為之減小。采用TI UCC28782控制器和一對半橋配置GaNFast功率IC實現(xiàn)了速度提高10倍的高效率有源箝位反激。
苛刻市場需求下的測試
圖源 | 網(wǎng)絡(luò)
“精心設(shè)計的電壓和溫度應(yīng)力測試表明，GaN功率器件具有汽車和工業(yè)市場所要求的高可靠性，”Transphorm質(zhì)量和可靠性副總裁Ron Barr這樣認為。
寬帶隙（WBG）氮化鎵的功率MOSFET的優(yōu)點使其在汽車電源子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)中心電源等要求苛刻的場合發(fā)揮著越來越重要的作用。這些應(yīng)用具有挑戰(zhàn)性的工作條件，且由于汽車保修成本或與數(shù)據(jù)中心可靠性相關(guān)的高成本，無法容忍出現(xiàn)故障。在選擇功率器件時，設(shè)計工程師必須確信其可靠、堅固和耐用。
以Transphorm常關(guān)型雙芯片設(shè)計的耗盡型GaN HEMT（高電子遷移率晶體管）TP65H035WSQA為例進行測試和分析，將GaN HEMT與一個常關(guān)型低電壓硅FET串聯(lián)在一起，組成共源共柵器件結(jié)構(gòu)。
共源共柵符號及共源共源器件組合結(jié)構(gòu)
該器件采用TO-247封裝，在175℃下符合AEC-Q101標準。在評估產(chǎn)品可靠性時，設(shè)計工程師需要四個可靠性信息/數(shù)據(jù)“域”來確定器件是否適合應(yīng)用，包括：產(chǎn)品認證；高加速壽命試驗；早期壽命失效試驗；現(xiàn)場可靠性。
產(chǎn)品認證
產(chǎn)品認證主要遵循兩個業(yè)界常用標準。JEDEC JESD 47適用于商用器件，更嚴格的AEC-Q101標準適用于車規(guī)器件。每個標準都有一系列產(chǎn)品必須通過的測試，如溫度循環(huán)、高溫反向偏壓、高溫柵極偏壓等，這樣的產(chǎn)品才能被視為JEDEC或Q101合格。
高加速壽命試驗
高加速壽命試驗（HALT）是一種定義明確的方法，即在有時超出其數(shù)據(jù)表極限的條件下對器件施加應(yīng)力，直到器件失效，與此同時收集有關(guān)失效時間（TTF）的數(shù)據(jù)，以便應(yīng)用適當?shù)哪Ｐ蛠眍A(yù)測耐用壽命（也稱固有壽命）。
在反向偏壓下，對處于關(guān)閉狀態(tài)的電壓介于1050V和1150V的批量650V額定電壓器件進行測試，直到大多數(shù)器件出現(xiàn)故障。然后計算在每一組條件下的平均失效時間。
圖源 | The Verge
以類似的方式，器件要在三種不同溫度下進行失效測試。三種不同電壓和三種不同溫度都是在加速測試條件下得到的。現(xiàn)在，每個測試的失效時間都在一組使用條件下進行了歸一化，條件通常源于應(yīng)用的任務(wù)概要。在實例中，選擇了一組極端條件來計算100%占空比條件下650V 175℃器件的壽命。
所有測試數(shù)據(jù)可以組合在一個模型中，稱為“使用圖”，該圖顯示了在使用條件下根據(jù)失效時間繪制的失效概率。
通常的做法是在失效概率為100PPM時定義器件壽命，這個實例中是連續(xù)運行100年，為106小時。
早期失效試驗
早期失效測試用來計算應(yīng)用中的保修風(fēng)險，并測試器件損壞前發(fā)生失效的概率。早期壽命失效（早期失效率）通常是由于制造過程中沒有發(fā)現(xiàn)或篩選出的缺陷而發(fā)生的，通常稱為“內(nèi)在缺陷”。在GaN器件案例中，這些內(nèi)在缺陷會導(dǎo)致電場畸變和缺陷位置的加速失效。
為了進行有意義的測試，應(yīng)該嘗試測試比之前描述的HALT測試大得多的器件樣本，以增加發(fā)現(xiàn)內(nèi)在缺陷的概率。使用的方法在JEDEC標準JESD 74A中有完整描述，可在JEDEC網(wǎng)站上獲得。
早期壽命失效通常以FIT（十億小時失效率）或PPM/年計算。數(shù)據(jù)表明，F(xiàn)IT率非常低，這可能預(yù)示著非常好的現(xiàn)場可靠性。
現(xiàn)場可靠性
Transphorm的現(xiàn)場可靠性計算遵循行業(yè)慣例，并考慮了交付的器件數(shù)量、現(xiàn)場使用多長時間以及客戶報告有多少器件失效。當然，并不是所有產(chǎn)品都能立即交付或使用，為了保守起見，將器件小時總數(shù)減半。Transphorm在現(xiàn)場的器件工作時間遠遠超過70億小時，迄今為止共有兩次退回，其現(xiàn)場可靠性不到1FIT。
“測試表明，上述GaN功率器件超過了汽車和工業(yè)OEM具有挑戰(zhàn)性的可靠性要求。這些GaN器件的可靠性至少與現(xiàn)有的硅和其他寬帶隙技術(shù)相當，而且往往更好，”Barr自信地總結(jié)道。
GaN柵極驅(qū)動的新要求
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“低功耗GaN是下一個革命性步驟，將為電力電子應(yīng)用開辟一個新紀元。不過，使用新型功率晶體管技術(shù)需要注意一些問題，”英飛凌科技*首席工程師Eric Persson指出。
功率開關(guān)在提高適配器性能、密度和成本方面的作用不可小視。傳統(tǒng)上，作為開關(guān)的功率晶體管是硅基的，趨勢清楚地表明，寬帶隙晶體管，特別是GaN正在成為高性能、小尺寸適配器的標準。
回顧功率晶體管技術(shù)的發(fā)展，直到今天，硅SJ（超結(jié)）晶體管一直是充電器/適配器中使用的主要晶體管技術(shù)。它可以提供低導(dǎo)通電阻、優(yōu)異的電流處理能力、簡單的柵極驅(qū)動，以及在小封裝中經(jīng)過時間驗證的可靠性，所有這些都是低成本的。
然而，考慮到適配器所需的寬電壓范圍，以及由于漏感和雷擊電涌瞬變引起的過電壓瞬變，即使是650V晶體管往往也不夠用，需要700-800V的器件。而這正是GaN比硅具有顯著優(yōu)勢的一個方面。因為，當外加電壓超過額定電壓時，硅晶體管會進入雪崩擊穿狀態(tài)。一些設(shè)計使用“齊納”效應(yīng)作為緩沖來抑制過電壓瞬變。但是，即使能量在晶體管的安全工作區(qū)（SOA）內(nèi)，這種方法也會增加功率損耗，并可能導(dǎo)致產(chǎn)生額外的不良EMI（電磁干擾）。此外，浪涌產(chǎn)生的大量能量可能超過雪崩能量而損壞晶體管。
相反，GaN晶體管的額定電壓遠低于其實際破壞性擊穿電壓。晶體管的額定電壓基于規(guī)定應(yīng)用條件，以滿足器件壽命所需的可靠性水平。例如CoolGaN? 600V e型HEMT，其破壞性擊穿電壓通常在1000V以上，在各種條件下，其脈沖電壓額定值為750V。在*的ACF匹配拓撲中，泄漏能量由諧振電路管理，GaN的高脈沖電壓額定值可以調(diào)節(jié)雷擊浪涌電壓。
應(yīng)用GaN晶體管的關(guān)鍵在于其柵極驅(qū)動的要求不同于硅晶體管。一個重要區(qū)別是GaN的閾值和全導(dǎo)通柵源電壓（VGS）明顯低于硅晶體管。雖然這減少了柵極電荷，但也可能在保持晶體管關(guān)閉方面出現(xiàn)挑戰(zhàn)。在ACF電路中，兩個晶體管被配置為半橋，主開關(guān)在底部，有源箝位作為高壓側(cè)開關(guān)。控制器和低邊晶體管驅(qū)動器由偏置電源供電。但是高壓側(cè)柵極驅(qū)動器需要一個浮動電源。在大型電信或數(shù)據(jù)中心電源中，可以用一個單獨的DC-DC轉(zhuǎn)換器為高壓側(cè)提供浮動偏置電源。但在適配器/充電器中，這種方法的尺寸和成本都令人望而卻步。
有源箝位反激拓撲簡化電路
為高壓側(cè)供電的一種常見方法是所謂的自舉（bootstrap）電源，即當?shù)蛪簜?cè)接通時，高壓側(cè)偏置的儲能電容器通過二極管從低壓側(cè)偏置電源向上充電。當高壓側(cè)打開時，它會從儲能電容器中吸取偏置，且必須定期補充（每次低壓側(cè)打開時）。當電路連續(xù)工作時，這是為高壓側(cè)供電的一種非常有效和低成本的方法。但挑戰(zhàn)在于如何在不連續(xù)模式下操作。
那么，如何避免自舉電容器沒有充電時高側(cè)虛假開啟呢？一般的柵極驅(qū)動器IC有時包括一個箝位電路設(shè)計，但用于硅晶體管的傳統(tǒng)方法依賴于更高的閾值電壓（如3-4V），因此，如果電路在1-2V范圍內(nèi)開始箝位，不幸的是，它們需要數(shù)百ns才能開始箝位。而GaN晶體管已經(jīng)可以在這些柵極電壓下傳導(dǎo)大量電流。
為了優(yōu)化與GaN晶體管結(jié)合的快速箝位驅(qū)動器性能，必須最小化兩者之間的干擾阻抗。英飛凌采取集成高邊和低邊GaN晶體管（190m?）的方法，與新的半橋驅(qū)動器一起集成在一個iQFN 8×8mm封裝中，制作出半橋集成功率級（IPS）。
與競爭產(chǎn)品相比，這種集成和分區(qū)方法有以下優(yōu)勢：
不需要外部數(shù)字隔離器，傳播延遲很短（47ns）
高低側(cè)驅(qū)動器之間延遲的不匹配時間僅為幾個ns，因此可以安全且容易地將死區(qū)時間調(diào)整到最小，以獲得最佳效率
柵極驅(qū)動RC（電阻-電容）網(wǎng)絡(luò)在外部，允許調(diào)節(jié)開關(guān)速度以平衡損耗和EMI，通過隔離柵的電容非常小，降低了共模EMI電流
寫在最后
發(fā)揮優(yōu)勢的時刻已經(jīng)到來
以氮化鎵、碳化硅為代表的第三代半導(dǎo)體具備耐高溫、耐高壓、高頻率、大功率、抗輻射等優(yōu)異特性，工藝、成本等方面的限制正在慢慢消融，接下來就要看應(yīng)用端如何通過器件測試、驅(qū)動開發(fā)、外圍元件配套發(fā)揮其優(yōu)勢了。
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