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电力电子中采用GaN技术究竟有哪些挑战?

2020/3/12 13:45:51      材料来源:TransphormGaN微信公众号

是固守成见还是相信事实? 电力电子中采用GaN技术究竟有哪些挑战?

 

作者:Philip ZukTransphorm全球技术营销及北美销售副总裁 

 

2012年,人们期待已久的600V以上氮化镓[GaN]晶体管终于问世。当时,宽禁带半导体材料已经开始在低压应用中崭露头角,人们期待GaN同样可以为高压(HV)电力系统贡献其全部的固有优势:

·   更快的开关速度

·   更高的功率密度

·   更好的热性能

·   较低的整体系统成本实现更高功耗效率

 

但是,时隔七年多,业界关于高压GaN技术在市场上终端产品中的可行性仍然存在一些争议。不过,考虑到电力电子市场在采用一项处于成熟早期阶段的技术时,总是持有适当的保守态度,这种谨慎也是可以理解的。

以下是终端产品制造商经常提及的一些常见疑虑。而实际上所有这些疑虑都可以归结为能否解答一个基本问题:GaN是否适合他们的设计?

 

成见 #1

缺少质量和可靠性数据,或者数据不够好

 

客户对产品和技术的信心源自GaN平台的质量和可靠性数据[Q+R]。鉴于高压GaN仍然处于被采用的早期阶段,因此,大部分可用数据都来自于半导体制造商自己生成的产品固有生命周期数据和耗损衰退期数据,这是可以理解的。

 

而且,诸如JEDEC[半导体行业]AEC-Q101[汽车行业]等行业资格标准中,专门针对GaN的测试标准尚未完全正式生效,当前可用的资格测试方法是为硅[Si]而设计的。因此,尽管JEDECAEC-Q101合格标准可以作为评判某个GaN平台Q+R数据的重要指标,那些正在评估GaN技术的客户依然期望JEDEC能够扩展其测试集,为GaN平台建立超出硅的限制设置的阈值。

 

是的,我们同意上述这些看法——确实,目前还没有完善的GaN标准来评判Q+R数据,还需要更多的GaN验证测试来佐证。不过,与一般看法不同的是,目前是有这些额外的验证测试数据的。

 

目前,650V 氮化镓器件已经投入生产,并被客户应用到销售的各种产品中。因此,Transphorm等制造商可以获得非固有的产品生命周期或早期失效[ELF]数据以及现场失效率等数据。客户公司可以使用这些数据来了解产品的早期失效率(这些数据通常以单位时间故障率/FIT、百万分率/ppm、和缺陷百万分率/dppm形式报告),并计算终端产品的保修风险和成本。


 

总的来说,对客户而言,重要的是了解可靠性浴盆曲线[1]中的三个分区,并确保其GaN产品供应商能够为所有区域提供所需数据和背景信息,以帮助他们针对其应用设计做出正确的决定。


 

1. 可靠性浴盆曲线

 

Transphorm当前的Q+R数据非常正面,根据超过50亿小时的现场数据,其产品的现场失效率低于2FIT,缺陷百万分率<4dppm。值得注意的是,当前GaN技术的现场失效率已经优于更为成熟的碳化硅[SiC]技术报道中低于5FIT的现场失效率。[备注:FIT值越低,说明该技术可靠性越高。]

Transphorm当前的Q+R数据非常正面

 

成见 #2

增强型器件优于双芯片式常关型GaN FET

当今的高压GaN功率转换行业正在推销两种器件:增强型和双芯片式常关型GaN FET,如图2所示。

 

人们有一种误解,认为在设计中只有增强型器件可行、实用(随着市场上的电力整合,这种看法现在也开始慢慢改变),从而导致人们对哪种器件才适合某个特定的产品感到困惑。在这一点上,终端产品制造商需要花点时间评估一下GaN技术的价值观点,并在考虑这些不同的晶体管类型的情况下,重新对它们进行评估。



 

2. 双芯片式常关型GaN FET与增强型GaN器件的物理结构

 

氮化镓一个已知的优点是其开关速度比传统硅器件快,同时,它还可以帮助消除一个产生损耗的组件,特别是在一种无桥式图腾柱功率因数校正配置的桥式整流器,这种优势更为明显。这通常会带来更高的效率,从而实现更小的系统尺寸,并降低总体系统成本。 

是的,增强型GaN是一种单芯片式常关型器件。但是,为了让增强型GaN晶体管在所有工作模式下都正常工作,需要很多无源组件的支持,有时还需要有源器件(如MOSFET)。驱动增强型器件需要额外的栅极电路、保护和启动电路,将增加出现故障的机会,这与它被公认的简单性背道而驰。
相较之下,双芯片式常关型GaN FET则没有同样的要求。它需要的外部组件数量很少,并且可以配合现成的驱动器使用,从而将复杂性和相关成本降到最低。
还有一点需要注意的是,现在的很多增强型器件只有表面贴装这一种类型的封装。当然,这些封装都可以找到相应的应用场合。但是,随着功率等级的提高,这将带来新的设计和散热问题,因为大功率应用中需要并联使用多个增强型器件,从而增加器件和印刷电路板[PCB]实体的成本。在评定供电设备的大批量可制造性时,增强型器件的封装问题有时会造成一些麻烦,这一点在决定要使用的GaN器件的类型时应该予以考虑。 另外,双芯片式常关型GaN FET器件还可以设计成标准3引脚形式的TO-XXX封装或表面贴装封装形式(用于低功率和高板级组装密度应用)TO-XXX封装在元器件市场众所周知,已经使用了数十年之久。它易于安装,散热方便,而且单个器件便可以应用在高达数千瓦等级的应用中。

 

成见 #3

太多设计挑战的限制


在物理结构上,高压GaN FET与硅晶体管不同。硅FET是垂直结构,而GaN FET为横向结构。在开关速度上,GaN器件比硅器件更快,能在MHz频率运行(已经使用在RF器件上)。而且,对于许多终端产品制造商而言,数字控制的AC-DC拓扑,例如无桥图腾柱PFC,正是GaN可以发挥其最大价值的地方。 所以,没错,刚开始从硅器件过渡到GaN器件时可能会有学习曲线。但是,请你将以下几点牢记在心。 第一,高压氮化镓器件制造商不断发布参考设计、应用注释、白皮书、培训视频等资源填补知识缺口。其次,像Transphorm(一家目前正在生产第四代GaN FET的公司)这样的制造商,正在根据客户设计和现场应用经验稳步地改进GaN平台,以降低设计复杂性。简而言之,GaN技术仍在不断进步,我们已踏上技术创新的征程,未来必将走得更远。 第二,人们存在一种误解,认为电磁干扰[EMI]和斜率控制等设计考量不再非常重要。高压GaN器件确实具有更高的电子迁移率[大约是硅的1.5倍,SiC2],所以其开关速度更快,上升时间更短。因此,更要特别注意PCB布局以管理噪声干扰。不过,现在有经证明行之有效的PCB设计指南,为快速启动开发打下了坚实的基础[参见图3]

 

 

3:使用GaN FET的半桥开关电路,展示了一种最小化EMI的方法

 

相应地,斜率控制可以使开关器件的性能达到所需的EMI抑制要求。尽管大多数人存在刻板的成见,但是,所有GaN技术版本都可以实现斜率控制。举例来说,事实证明双芯片式常关型GaN FET di/dtA/ns)和dv/dtV/ns)等参数亦可向下实现近似于高压硅MOSFET的速度。
 

第三,人们还存在一个误解,认为GaN产品开发的安全裕量无法超过1.7V的阈值,栅极驱动电压的稳定性水平也仅有1V-3V的空间。可是,经实际验证,双芯片式常关型GaN FET的阈值电压最大可到4V,栅极驱动电压稳定性空间的最大裕量可达到±20 V,能够像已有数十年历史Q+R数据的低压MOSFET那样实现所有控制功能——降低系统的整体灵敏度,给设计工程师提供了可在其中进行操作的更大安全空间。

 

成见 #4

GaN FET太贵了


如今,实践已经证明,高压GaN可以有效地应用在1.5千瓦以上功耗范围内的电源系统中。而且,随着技术的发展和价格的降低,它的应用范围可以下探至100瓦以下。市场上的终端产品表明,GaN的优势在于功耗效率、性能和功率密度显著提升,系统尺寸减小,热管理更出色等等。

 

但是,为了在所有潜在的应用市场(尤其是出货量像适配器那样大的市场)与硅展开全面竞争,GaN解决方案必须具备成本效益。而且,直接进行对比的话,今天的GaN器件的成本仍然满足不了硅晶体管的定价要求。但是,Transphorm的最新第四代GaN平台在成本方面取得了重大进展。此外,在评估GaN的投资回报(ROI)时,需要考虑更广阔的发展前景。

 

硅器件具有很高的性价比,这一点毫无争议。除非客户期望的价值观点不在性价比上,否则,在较低功率的应用中(比如1.5千瓦以下的传统模拟控制系统),用GaN替代硅没有吸引力,也不实用。

 

但是,随着未来几年内GaN价格的不断降低,它在上述较低功率应用中的可行性会不断提高。特别是与更为熟知的拓扑(比如连续导通模式[CCM]标准PFC升压电路,准谐振反激电路或者其它一般的单端电路)一起使用时更是如此。而且,正如许多已经量产的客户设计所证明的那样,在较高功率应用中,与基于硅器件的类似设计相比,当使用GaN器件时,具备系统电路需求的减少、进而降低总体系统成本的优势。

总结

综上所述,高压GaN功率转换技术仍然处于其成熟的早期阶段,因此,在未来几年乃至数十年时间内,它仍有很大的创新和优化空间——每一天都在解决设计挑战,今日发售的新产品都胜过上一代。


大体量的功率半导体公司都进入了这个市场,完整的验证数据——包括实际现场应用失效率——不仅都能得到,而且数据结果很正向。不要陷入成见之中,以上发生的种种证明了一个简单的事实,即高压GaN的时代已经到来,并将拥有一个非常光明的未来。


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