近日，拜讀遼寧工業(yè)大學(xué)陳永真教授的文章“氮化鎵FET用電解電容器只不過是噱頭？”感觸良多，應(yīng)運(yùn)而生的氮化鎵（GaN）FET（場效應(yīng)晶體管）用電解電容器除了體積減小，在制造工藝沒有本質(zhì)性改變時(shí)，其寄生電感無法大幅降低，且在高開關(guān)頻率下已呈電感特性，高次諧波頗豐。所以，這樣的電解電容器不用也罷。

的確，在新一代創(chuàng)新技術(shù)迭代時(shí)刻，總是會(huì)泥沙俱下。不過，瑕不掩瑜，隨著新技術(shù)周邊配套工藝技術(shù)的進(jìn)展，其作用也將越來越大，氮化鎵功率器件就是這樣。我們看看近來業(yè)界大咖們對(duì)于氮化鎵又有哪些高論，能給我們哪些方面的借鑒？

GaN已成為5G能量催化劑

“氮化鎵的出現(xiàn)將滿足5G需求，實(shí)現(xiàn)新的拓?fù)浣Y(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(jī)平臺(tái)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(shí)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?fù)浣Y(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(jì)的功率密度和熱密度都出現(xiàn)了瓶頸。

10年內(nèi)智能手機(jī)屏幕尺寸和電池容量增加3倍以上

Oliver表示，智能手機(jī)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(qiáng)，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(shí)，引入單一、靈活的充電平臺(tái)（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(fèi)者不再依賴于OEM提供的電源產(chǎn)品。

他認(rèn)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?fù)渥跃鸵驯粚W(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(jī)充電器的高頻準(zhǔn)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?fù)浣Y(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(jìn)CrCM圖騰柱PFC具備了商業(yè)可行性。

GaN功率IC在一個(gè)貼片封裝中集成了GaN功率FET和GaN驅(qū)動(dòng)加控制和保護(hù)。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(dòng)回路基本上沒有阻抗，集成后關(guān)斷時(shí)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(yùn)行速度比傳統(tǒng)硅設(shè)計(jì)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(jī)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?fù)浣Y(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(duì)半橋配置GaNFast功率IC實(shí)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(jì)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(rèn)為。

寬帶隙（WBG）氮化鎵的功率MOSFET的優(yōu)點(diǎn)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(shí)，設(shè)計(jì)工程師必須確信其可靠、堅(jiān)固和耐用。

以Transphorm常關(guān)型雙芯片設(shè)計(jì)的耗盡型GaN HEMT（高電子遷移率晶體管）TP65H035WSQA為例進(jìn)行測試和分析，將GaN HEMT與一個(gè)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(hào)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(biāo)準(zhǔn)。在評(píng)估產(chǎn)品可靠性時(shí)，設(shè)計(jì)工程師需要四個(gè)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(rèn)證；高加速壽命試驗(yàn)；早期壽命失效試驗(yàn)；現(xiàn)場可靠性。

產(chǎn)品認(rèn)證

產(chǎn)品認(rèn)證主要遵循兩個(gè)業(yè)界常用標(biāo)準(zhǔn)。JEDEC JESD 47適用于商用器件，更嚴(yán)格的AEC-Q101標(biāo)準(zhǔn)適用于車規(guī)器件。每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)

高加速壽命試驗(yàn)（HALT）是一種定義明確的方法，即在有時(shí)超出其數(shù)據(jù)表極限的條件下對(duì)器件施加應(yīng)力，直到器件失效，與此同時(shí)收集有關(guān)失效時(shí)間（TTF）的數(shù)據(jù)，以便應(yīng)用適當(dāng)?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(duì)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(jìn)行測試，直到大多數(shù)器件出現(xiàn)故障。然后計(jì)算在每一組條件下的平均失效時(shí)間。

圖源 | The Verge

以類似的方式，器件要在三種不同溫度下進(jìn)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?，F(xiàn)在，每個(gè)測試的失效時(shí)間都在一組使用條件下進(jìn)行了歸一化，條件通常源于應(yīng)用的任務(wù)概要。在實(shí)例中，選擇了一組[敏感詞]條件來計(jì)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(gè)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(shí)間繪制的失效概率。

通常的做法是在失效概率為100PPM時(shí)定義器件壽命，這個(gè)實(shí)例中是連續(xù)運(yùn)行100年，為106小時(shí)。

早期失效試驗(yàn)

早期失效測試用來計(jì)算應(yīng)用中的保修風(fēng)險(xiǎn)，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(huì)導(dǎo)致電場畸變和缺陷位置的加速失效。

為了進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)失效率）或PPM/年計(jì)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(jì)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(shí)間以及客戶報(bào)告有多少器件失效。當(dāng)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(shí)總數(shù)減半。Transphorm在現(xiàn)場的器件工作時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過70億小時(shí)，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(dāng)，而且往往更好，”Barr自信地總結(jié)道。

GaN柵極驅(qū)動(dòng)的新要求

圖源 | Pinterest

“低功耗GaN是下一個(gè)革命性步驟，將為電力電子應(yīng)用開辟一個(gè)新紀(jì)元。不過，使用新型功率晶體管技術(shù)需要注意一些問題，”英飛凌科技高級(jí)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(shì)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(biāo)準(zhǔn)。

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(dòng)，以及在小封裝中經(jīng)過時(shí)間驗(yàn)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(shì)的一個(gè)方面。因?yàn)?，?dāng)外加電壓超過額定電壓時(shí)，硅晶體管會(huì)進(jìn)入雪崩擊穿狀態(tài)。一些設(shè)計(jì)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(huì)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(yuǎn)低于其實(shí)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。在完美的ACF匹配拓?fù)渲?，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(dòng)的要求不同于硅晶體管。一個(gè)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(gè)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)?？刂破骱偷瓦吘w管驅(qū)動(dòng)器由偏置電源供電。但是高壓側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器需要一個(gè)浮動(dòng)電源。在大型電信或數(shù)據(jù)中心電源中，可以用一個(gè)單獨(dú)的DC-DC轉(zhuǎn)換器為高壓側(cè)提供浮動(dòng)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?fù)浜喕娐?/span>

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(dāng)?shù)蛪簜?cè)接通時(shí)，高壓側(cè)偏置的儲(chǔ)能電容器通過二極管從低壓側(cè)偏置電源向上充電。當(dāng)高壓側(cè)打開時(shí)，它會(huì)從儲(chǔ)能電容器中吸取偏置，且必須定期補(bǔ)充（每次低壓側(cè)打開時(shí)）。當(dāng)電路連續(xù)工作時(shí)，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(shí)高側(cè)虛假開啟呢？一般的柵極驅(qū)動(dòng)器IC有時(shí)包括一個(gè)箝位電路設(shè)計(jì)，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(dòng)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(dòng)器一起集成在一個(gè)iQFN 8×8mm封裝中，制作出半橋集成功率級(jí)（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(shì)：

寫在最后

發(fā)揮優(yōu)勢(shì)的時(shí)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(dòng)開發(fā)、外圍元件配套發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)了。

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