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氮化镓功率技术大热,剖析Cascode结构如何“剑走偏锋”

Fujitsu?? 2016年02月24日 ?? 收藏0
氮化镓技术因其在低功耗、小尺寸等特性设计上的独特优势和成熟规模化的生产能力,近年来在功率器件市场大受欢迎。在前不久举办的EEVIA第五届ICT技术趋势论坛上,这个主题受到国内媒体的集体“围观”。富士通电子元器件高级市场经理蔡振宇(Eric)的“氮化镓产品主要的应用场景和未来的趋势”主题分享,将富士通电子旗下代理产品线Transphorm公司独特GaN技术和产品方案第一次带到中国媒体面前,采用创新的Cascode结构的HEMT高压产品让Transphorm在氮化镓功率表技术领域剑走偏锋,成为该阵营的领头羊。

富士通电子元器件高级市场经理蔡振宇(Eric)主题演讲中
富士通电子元器件高级市场经理蔡振宇(Eric)主题演讲中

高压GaN技术的领头羊是如何炼成的?

最近一年多以来,一个中国工程师和媒体社群极少听到的品牌——美国Transphorm公司——以一种“稳秘模式”异军突起,已成为电子能源转换行业开发与供应GaN解决方案业务的国际公认领导厂商。据Eric介绍,基于知名投资公司的资金支持(其中包括富士通、谷歌风投、索罗斯基金管理公司以及量子战略合作伙伴资助等),Transphorm成为了一家快速成长的公司,尤其是在高压GaN解决方案方面是国际公认的领导者,Transphorm致力实现高效且紧凑的电源转换。

“事实上,Transphorm已经是GaN技术的行业‘老兵’。”Eric指出,“Transphorm创始人与核心工程团队在电源和GaN半导体方面,有超过20年的直接经验和领先地位。”据悉,自1994年以来,Transphorm的团队已经率先推出了最早的GaN晶体管的开发,几经合并后的团队带来了卓越的垂直整合经验,其中包括GaN材料和器件、制造与测试、可靠性和应用工程,以及制造和电力行业知识。“这种垂直专业技术保证了能够以最快的速度响应客户的需求,并且确保了重要的知识产权地位,同时还提供符合客户的要求专用电源解决方案。”Eric表示。

Transphorm公司的GaN专业知识和垂直整合使其能够快速开发出高性能、可靠并且强劲的产品。Transphorm是重要战略性知识产权的初创者,拥有超过400项国际专利,包括收购富士通的功率GaN设计、开发和知识产权资产。Transphorm的专利实现了成功将GaN商业化的方方面面,包括材料生长、器件结构、器件制造方法、电路的应用、架构和封装等。

结构创新,HEMT改善的不仅仅是效率

据Eric介绍,Transphorm HEMT 氮化镓产品的独特性源于其独特的产品内部结构。从半导体的结构来看,HEMT 氮化镓产品跟普通MOSFET不一样,电流是横向流,它是在硅的衬底上面长出氮化镓,它是S极垂直往上的,上面是S极流到D极,与传统的MOS管流动不一样。

HEMT器件独特的Cascode结构剖析
HEMT器件独特的Cascode结构剖析

目前所有的产品在技术和研发上有两个方向,一个是上电的管子是关着的,还有一种是上电以后管子是打开的。基本上前面的产品是没有办法用的,因为一上电管子就关了。“有友商在第一个管子上面人为地做成Normally off(常关)。但随着时间的推移,原来5伏可以打开,慢慢时间久了可能6伏才能打开。”Eric指出,“对这个问题,Transphorm给出了解决办法——通过增加一个低压MOS管,这个结构就是前面提到的Cascode结构,用常开的产品实现常闭产品一样的性能。”

据Eric解释,此结构的优点首先是它的阈值非常稳定地设定在2V,即给5伏就可以完全打开,一旦到0V会完全关闭。而且这个结构还带来另一个优势:氮化镓的驱动和现在的硅基是兼容的,可以无缝地连接到氮化镓的功率器件上,没有必要改成新的结构。这为工程师设计会带来一些便利,GaN横向结构没有寄生二极管更小的反向恢复损耗和器件高可靠性,

GaN是常开器件Vgs为负压时关断,实际上Transphorm在GaN上串联一个30V的Si MOS解决0V关断5V导通的问题。

HEMT结构的氮化镓产品确实有很多独特的优势,但到底好到什么程度呢?能不能对其与主要的竞争产品进行特性对比?Eric给出了一组数据——Transphorm找了一个市场上比较流行的某友商的产品进行了关键参数对比:该厂商的正向导通所需的栅极电荷是44,而Transphorm是6.2,约七分之一;友商产品的QRR一般是5300,Transphorm是54,只约为其1%。

几个关键数据的对比,HEMT GaN技术特性优势明显
几个关键数据的对比,HEMT GaN技术特性优势明显

创新的结构设计让HEMT GaN功率器件可以在极高的dv / dt(>100 V / NS)条件下进行开关,同时具有低振铃和小反向恢复。清洁和快速过渡大大降低开关损耗,从而提高了高频应用中的效率,通过使用较小的磁性元件,可实现更高的功率密度。尤其是Transphorm公司600V的GaN功率晶体管的推出,使得之前不切实际的非常规电路能够得以实现。此外,来自这些高性能GaN-on-Si HEMT的同步低导通电阻和低反向恢复电荷,具有低共模EMI的出色特性,这种基于GaN的PFC具有最小数字的快速功率器件,并且为主电流提供最小阻抗的路径,可以实现从230Vac到400Vdc电源变换达到99%的效率。

现场展示的基于HEMT器件的电源模块方案与业界竞争解决方案的对比
现场展示的基于HEMT器件的电源模块方案与业界竞争解决方案的对比

在演讲现场,富士通电子展示了两款基于HEMT器件的电源模块方案。“我们的PFC+LLC电源与类似的竞争方案相比,电路板尺寸可以缩减45%,在满载和10%的负载下,我们可以分别提高1.7%和3%的效率。对于很多效率要求苛刻的应用来说,这是一个非常大的提升。”Eric指出。

严格的JEDEC认证保证创新结构安全性

“尽管性能参数很不错,但作为系统的‘心脏’,电源模块的设计工程师通常还是很谨慎的,到底怎么保证你这个结构的产品可靠性呢?”在听完Eric的介绍后,现场与会工程师对HEMT氮化镓产品的性能产生了极高的关注,但也有部分人提出类似的顾虑。“这确实是个很重要的问题,但工程师可以非常放心选择HEMT功率解决方案,我们600V的氮化镓产品是第一个也是目前唯一一个通过JEDEC业界认证的氮化镓产品。”Eric介绍道。

独特的性能优势、更小的电路板尺寸受到与会者的关注
独特的性能优势、更小的电路板尺寸受到与会者的关注

据Eric介绍,要通过这个认证,需要通过一系列的严格测试,比如高、低温测试、高湿测试。每个测试项要经过77个产品的检测,放在三个不同的地方做这些不同的测试,而且必须是全部231颗芯片完全没有问题才能通过该认证。“可靠性是电源工程师非常重要的指标。我们做了那么多实验都完全没有问题,所以我们产品的可靠性也获得了全球客户的信赖。”Eric对现场工程师和媒体表示。

事实上,Transphorm已经实施了美国最先进的质量管理体系,并通过了ISO 9001:2008认证,所有产品均符合JEDEC标准 JESD47。作为唯一一家通过JEDEC认证的氮化镓产品,Transphorm展示了高电压GaN功率器件固有的生命周期性能,电场和温度加速测试已经证明了在600V(HVOS测试超过1,000伏,150°C)条件下超过1,000万个小时的续航时间,以及在200°C的结温条件下,超过1,000万小时的寿命。

兼顾高压与低压,技术创新进行时

独特的性能优势、更小的电路板尺寸受到与会者的关注

Transphorm依据基本发展路线图进行开发,首先是合格的600 V器件和1000V器件。Transphorm的研究和开发还在继续,现在推出了600V的扩展系列,采用更低的R(ON)设备和高功率封装(含模块),然后是继150V器件之后的1200 V器件。据Eric透露,今年会推出900V和1200V的产品,低压方面会提供150V的产品。据悉,未来Transphorm还将推出代替Cascode的E-Mode创新结构技术,将会把当前结构中存在的不利因素解决掉,实现更卓越的功率器件性能。将提供更大功率的产品,从2014年推出第一颗TO240,电流从30、40,逐步往60、70、80的方向发展。


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