氮化鎵
採用直接驅動設計 GaN FET開關控制效率增
GaN損耗低 直接驅動優勢多
在設計開關電源時,主要品質因數(FOM)包括成本、尺寸和效率。將這三個FOM結合在一起,就需要綜合考慮多種因素。例如,提高開關效率雖然可以減少磁性元件的尺寸和成本,但也會增加磁性元件的損耗和電源裝置的開關損耗。由於GaN的截止電容較低且無二極管反向恢復,因此與MOSFET和IGBT相比,GaN HEMT有顯著降低損耗的能力。正常情況下,MOSFET/IGBT驅動器會提供合適的開啟和關閉電流以支持輸入電容。驅動器輸出和裝置閘極之間的外部電阻能控制開關速度,並抑制功率和閘極迴路振鈴。隨著GaN的開關速度增加,外部零組件會增加過多的寄生電感(Parasitic Inductance)來控制開關。藉由GaN裝置將驅動器整合到封裝中,可以大幅減少寄生電感,降低開關損耗,並最佳化驅動控制。
GaN中的本體二維電子氣(2-DEG)層可以在源極和汲極之間使裝置在零閘-源電壓下導通。為安全起見,當偏壓功率不可用時,必須關閉開關電源供應器使用的功率裝置後才能斷開輸入和輸出的連接。為了模擬增強型裝置,將低壓MOSFET與GaN源串聯。圖1顯示了實現這一點的兩種不同配置:串接和直接驅動。
圖1 串接和直接驅動配置方式
接下來將比較功耗,並描述與每種方法相關的注意事項。在串接配置中,GaN閘極接地,並驅動MOSFET閘極以控制GaN裝置。由於MOSFET是矽元件,許多閘極驅動器都可輕鬆獲得。然而,由於GaN閘-源極電容(CgS)和MOSFET Coss必須在GaN裝置關閉前充電達到GaN臨界值電壓,因此這種配置顯示出更高的組合Coss。
在直接驅動配置中,MOSFET是打開的,且由接地電壓和負電壓(VNEG)之間的閘極驅動器驅動的GaN閘極打開/關閉組合裝置。此外,MOSFET Coss不需要充電。關閉GaN Cgs的電流來自於較低的偏壓電源。較低的供應電壓可提供相同的GaN閘-源極電荷(Qgs),以降低功耗。在開關頻率較高的情況下,這些功率差異會大幅增加。反向恢復Qrr損耗在串接配置中發揮作用。這是因為在第三象限傳導中,MOSFET呈關閉狀態,並通過內接二極體傳導。由於負載電流反向流動,MOSFET中出現儲存電荷。克服反向恢復電荷的電流來自高壓電源,會導致大量損耗。
然而,在直接驅動配置中,MOSFET始終處於開啟狀態,而其寄生二極體因為較低的RDSon而不開通;因此,在直接驅動配置中不存在與Qrr相關的功率損耗。
在串接配置中,關閉模式下GaN和MOSFET之間的電壓分布會使得MOSFET因高GaN汲-源極電容(Cds)而突崩。
一種解決方案是在MOSFET的汲極和源極並聯的情況下增加一個電容器。然而,這種方法只適用於柔性開關應用,在硬性開關應用中會產生高功耗。
由於GaN閘極與MOSFET的源級相連,因此無法控制串聯驅動中的開關速度。在硬性開關操作中,GaN Cgs、MOSFET Coss和MOSFET Qrr中有效Coss的增加,以及可能因防止MOSFET突崩所產生的電流傳導,會在初始充電期間產生更高的汲極電流。這種更高的汲極電流會導致串接驅動中的功耗更高。
MOSFET的汲極電荷足以關閉GaN裝置之後,汲極中Coss的驟降,加上流過功率迴路電感的汲極電流較高,導致串接配置中的開關節點產生過大的振鈴。圖2為硬性開關事件中的開關波形,在此模擬中,直接驅動配置在每次硬性開關事件中消耗的能量更少,即使其開關速度較低,振鈴也較小(直接驅動50V/ns時為4.2W,相較串接驅動150V/ns時為4.6W,均帶5A負載電流)。
圖2 硬性開關操作導致振鈴過大。
另一方面,直接驅動配置在開關操作過程當中可直接驅動GaN裝置的閘極。當不存在偏壓電源的時候,MOSFET閘極會被拉至接地,並且以與串接配置相同的方式來關閉GaN裝置。
只要存在偏壓電源,MOSFET會保持開啟狀態,且寄生電容和內接二極體會從電路中移除。直接驅動GaN閘極的優勢在於可以藉由設定對GaN閘極充電的電流來控制開關速度。對於升壓轉換器,驅動器電路的簡單模型如圖3所示。可以從這個模型中推導出方程式。
圖3 直接驅動配置的驅動路徑模型
公式1證明當GaN裝置具有足夠的閘-汲極間電容(Cgd)時,利用閘極電流,可透過米勒反饋(Miller Feedback)來控制開關事件的速度。對於Cgd較低的裝置來說,此種反饋將流失,且裝置的跨導(gm)控制著開關速度。
公式1
直接驅動配置的另一個優勢在於可以給閘極迴圈增加阻抗來抑制其寄生共振。抑制閘極迴圈也可以減小功率迴圈中的振鈴,使得GaN裝置上的電壓應力降低,減少硬式開關期間的電磁干擾(EMI)問題。
圖2的模擬顯示了以功率和閘極迴圈寄生電感為模型的降壓變換器中開關節點振鈴的差異。直接驅動配置有一個過衝量非常小的受控開關。然而,由於閘極迴圈中的初始COS、Qrr較高與較低的阻抗,串接驅動的振鈴和硬式開關損耗明顯更高。
整合閘極驅動器 GaN FET開關控制更順暢
以德州儀器(TI)旗下的LMG341X系列600V GaN裝置為例,該產品為首款整合GaN FET plus驅動器和保護特性的產品,並且是8mm×8mm的方形扁平無針腳(QFN)封裝多晶片模組(MCM),包含一個GaN FET和一個使用整合20V串聯FET的驅動器,總RDSon為75mΩ。
圖4為此裝置的方塊圖。閘極驅動器提供了GaN FET直接驅動能力,並具有一個內建的降壓/升壓轉換器來產生關閉GaN FET時所需的負電壓。閘極驅動器採用單一12V電源供電,並擁有一個內部低壓差穩壓器(LDO),可以用來生成為驅動器和其他控制電路供電的5V電源軌。內部欠壓鎖定(UVLO)電路保持安全FET關閉,直到輸入電壓高於9.5V。UVLO超過自身的臨界值時,降/升壓轉換器即打開並為負電源軌(VNEG)充電。一旦VNEG電源電壓超過其自身的UVLO,驅動器就會啟用。
圖4 單通道600V、76-ΩGaN FET電源極的方塊圖
與分離式GaN和驅動器相比,LMG341x系列的整合直接驅動裝置具有很多優勢。閘極驅動器的一大重要作用是在硬式開關事件期間對開關速度的控制。
另外該產品使用可程式化電流源來驅動GaN閘極。電流源提供阻抗來抑制閘極迴圈,並允許用戶以控制的方式將開關速度從30V/ns編程至100V/ns,以解決電路板寄生和電磁干擾問題。
藉由將串聯FET整合到驅動器的積體電路(IC)中,敏感FET和電流感測電路為GaN FET提供過電流保護。這一關鍵特性可以提升系統整體可靠性。這種電流感測方案在使用強化模式GaN裝置時是不適用的。當流過GaN FET的電流超過40A時,電流保護電路會跳脫。過電流事件發生後的60ns內,GaN FET會關閉,以防止晶片過熱。
藉由將驅動器晶片包裝在與GaN FET相同的晶片連接焊盤(DAP)上,驅動器晶片上的引線框架可以感測到GaN裝置的溫度。驅動器在過熱時可以透過停止GaN驅動來保護裝置。整合的GaN裝置也可以提供故障輸出,以通知控制器開關因為出現故障而停止。為了使用直接驅動方法來驗證操作,我們創建了一塊半橋式板,並將其配置為降壓轉換器;並使用ISO7831雙向位準偏移器來饋送高側驅動訊號,並恢復位準偏移故障訊號。
在圖5中,GaN半橋式配置從480V匯流排以1.5A的電壓以及100V/ns的開關速度切換。①表示開關節點波形,②表示感應器電流。硬式開關導通狀況較好,並有~50V過衝電壓。該波形使用1GHz示波器和探針測得,用來觀察是否存在任何高頻振鈴。快速地接通,加上截止電容的減少以及缺少反向恢復電荷,使得基於GaN的半橋式配置能夠高效地切換,甚至作為硬式開關轉換器。
圖5 降壓開關波形示例
總結來說,GaN在減少截止電容和無反向恢復方面提供的優勢開闢了在使用硬式開關拓撲結構的同時能保持高效率的可能。若要最大限度地發揮GaN帶來的優勢,則需要控制高開關速度,也因此需要一個最佳的組合封裝驅動器和精細的電路板布線技術。組合封裝驅動器有助於減少閘極迴圈寄生,以減小閘極振鈴。有了精細布線的印刷電路板(PCB),最佳化的驅動器就可以讓設計人員控制開關事件的速度,並將振鈴和電磁干擾降到最低。這一效果是通過GaN裝置的直接驅動配置實現的,而非串接配置。
而LMG341x系列元件能夠讓設計人員以30V/ns到100V/ns的開關速度控制各種裝置的開關。此外,驅動器可以提供過電流、過熱和欠壓防護。
(本文作者皆任職於德州儀器)
瞄準消費性市場 高整合GaN方案蓄勢待發
基於寬能隙材料的功率半導體已經進入商業量產,而相較於主攻高電壓應用市場的碳化矽(SiC),氮化鎵(GaN)則是在消費類找到應用商機;而為滿足消費性產品對成本、體積、效能的要求,高整合解決方案成為電源元件供應商拓展GaN市場的主要利器,例如Power Integrations近期所推出的InnoSwitch3 AC-DC轉換器IC,其特色便是將一次側、二次側和回授電路整合在單一表面接合封裝中。
據悉,Power Integrations日前推出新一代InnoSwitch 3系列離線CV/CC返馳式切換開關IC,而在最新發布的系列產品中,GaN切換開關取代了IC一次側的傳統矽高壓電晶體,減少電流流過時的導通損耗,並大幅降低了運作期間的切換損失,減少能源浪費;而值得一提的地方是,為實現更精準的同步整流(Synchronous Rectification, SR),該系列產品將一次側、二次側和回授電路整合在單一表面接合封裝中。
Power Integrations培訓總監Andrew Smith表示,過往的同步整流設計,一次側和二次側通常是各自獨立,而非在同一封裝之中,二次側要「開」或「關」,往往是依據一次側導入的電流或電壓波形進行判斷。然而,電源供應並不是固定負載(也就是同一電流、電壓穩定輸送),消費者常常會突然插拔充電器、插頭等,在快速變動的情況下,一次側、二次側的溝通有時會出現「誤差」,也就是二次側跟不上一次側的指令,兩者無法同步,電源供應器便會產生故障。
Power Integrations培訓總監Andrew Smith(右)表示,整合一次側和二次側有助實現更精準的同步整流。
Smith指出,為克服此一情況,降低故障率,同時提升使用效率,該公司便決定將一次側、二次側和回授電路整合在單一表面接合封裝中,並透過磁耦合連接一次側與二次側,使兩者的「溝通」更加容易,以精準的實現同步整流,不僅降低電源供應器故障率,也可以透過整合方式減少產品尺寸、成本,並提升效能,滿足行動裝置、機上盒、顯示器、家電、網路和遊戲產品的USB-PD和高電流充電器/轉換器等高效率返馳式設計。
GaN功率元件大舉出籠 PSU應用仍須努力
GaN功率元件由於在製程上可以和現有的矽材料整合,形成單片(Monolithic) IC,加上材料本身的價格遠比碳化矽來得便宜,因此在消費性電源產品跟伺服器電源領域,有一定的發展潛力。然而,由於GaN功率元件的架構跟材料特性不同,使得工程師在導入GaNFET時,必須使用不同於傳統MOSFET的驅動方式,且必須把GaNFET缺乏短路跟過載保護的特性納入設計考量中。
相較於主攻高電壓應用市場的SiC,GaN則是靠著高速切換、低損耗且價格較貼近現有矽元件的優勢,可望在消費類及IT基礎建設領域找到應用商機。但有業界人士指出,因為GaNFET跟MOSFET的應用高度重疊,因此在GaNFET剛商品化之際,有些電源工程師沒有先釐清GaN FET與MOSFET的特性差異,以為只要用GaNFET取代現有的MOSFET,並在系統設計上稍加修改,就能獲得GaNFET供應商所宣稱的效能提升。但事實上不是如此。
與現有的MOSFET相比,GaNFET最大的優勢在於可高速切換,而且反向恢復電荷(Qrr)極低,這意味著使用GaNFET的系統,理論上應該要有更低的功率損耗,並具備更高的能源轉換效率。但事實上,如果只是單純用GaNFET取代MOSFET,驅動控制沒有跟著修改,不僅無法發揮GaNFET的潛力,還可能因為GaNFET缺乏短路跟過載保護的功能,導致電源系統更容易出問題。
另一方面,如果要讓GaNFET完全發揮其潛力,電源設計一定要以高速切換為指導原則,但這會使電磁干擾(EMI)的風險增加,印刷電路板的線路布局也必須提出相應的對策。這也是GaNFET在商品化初期,有些電源工程師直接在現有系統設計中以GaNFET取代MOSFET,常常遇到的狀況。
綜合上述討論,要讓GaNFET發揮其潛能,整個電源供應器的系統設計都必須重新來過。因此,只有經驗老道、人力充沛的電源產品設計團隊,才適合直接用GaNFET來開發電源系統產品。如果是對電源設計經驗不那麼充足,人力也不夠的小型開發團隊,必須尋找整合度更高,亦即把驅動跟FET整合在一起的解決方案,甚至是直接從元件供應商提供的系統參考設計修改出自己的設計。
不過,倘若上述可靠度跟驅動控制的問題能夠解決,基於GaN的功率元件很有機會取代目前市場上大多數的超接面(Superjunction) MOSFET。
事實上,目前市場上已經有基於GaN的可攜式USB PD充電器,最大輸出功率可達60W。與傳統的充電器相比,這些新一代的充電器外觀尺寸更小巧,重量也更輕。因此,雖然這類GaN充電器的價格仍比一般的USB PD略高,還是有消費者願意買單。近日包爾英特(PI)正式發表其基於GaN的Innoswitch-3離線CV/CC返馳式切換開關IC系列新品,主打的應用之一就是輸出功率60/100W的USB PD充電器。該元件的一次側以GaNFET取代了傳統MOSFET,減少了電流流過時的導通損耗,並大大降低了運作期間的切換損失。該系列IC在整個滿載範圍內的轉換效率高達95%,
USB PD充電器是GaN功率元件進入應用市場一個很重要的突破點。
GaN的功率輸出能力當然不只如此,但對USB PD充電器業者來說,把產品的輸出功率做到60W,就已經綽綽有餘。因此在進行產品開發時,業者最主要的設計考量是盡可能縮小尺寸、降低重量,讓產品的差異化賣點得以凸顯。
在更大功率的PC/伺服器PSU方面,該業界人士表示,桌上型電腦的PSU可能短期內都還看不到GaN的機會,因為這個市場對元件的價格非常敏感,且桌上型電腦的PSU外觀尺寸已經標準化,就算GaN元件能把PSU的體積縮小、重量減輕,意義也不大。至於伺服器電源,則得看系統OEM/ODM業者的客戶是誰。如果OEM/ODM接的是惠普(HP)、戴爾(Dell)的標準伺服器訂單,其所使用的PSU應該還是基於傳統MOSFET,因為成本上還有一些落差;但如果OEM/ODM是直接供貨給亞馬遜(Amazon)、Google或Facebook,這類客製化伺服器的PSU導入GaN功率元件的可能性就不小。
因為網路大廠在評估伺服器的時候,是從整體持有成本(TCO)的角度出發,而不是只看購買硬體的價格。基於GaN的伺服器PSU,轉換效率可以達到95%水準,這對節省資料中心的耗電量,可帶來很大的幫助。
寬能隙材料來勢洶洶 SiC/GaN各有市場定位
碳化矽(SiC)與氮化鎵(GaN)是近年來最受矚目的化合物半導體新秀,除了應用在無線通訊之外,這兩種寬能隙材料在功率半導體領域,也有很大的發展潛力。相較於以矽為基礎的超接面場效電晶體(Super Junction MOSFET)或絕緣柵雙極電晶體(IGBT),GaN跟SiC最大的優勢在於可以實現更高的開關頻率、耐受電壓也更高,使電源系統的效率得以明顯提升。
另一方面,隨著電動車、電池儲能系統兩大應用展現出雄厚的市場潛力,雙向電力傳送又是車載充電器、充電樁與儲能電池轉換器必備的基本功能,這將使圖騰柱功率因素校正(Totem Pole PFC)拓撲成為車廠、Tier 1、充電設備商與儲能設備商在開發相關產品時的最佳選擇。而圖騰柱拓撲的流行,將會為GaN跟SiC功率元件搭起全新的舞台,因為現有的矽功率元件不適合用來實現圖騰柱拓撲。
電動車/綠能雙箭頭帶動 SiC搶攻高電壓市場
羅姆半導體(Rohm)設計中心副理唐仲亨(圖1)分析,就市場應用面來看,電動車的車載充電器、為電動車供電的充電樁,以及搭配太陽能、風力發電系統所使用的大型儲能系統,會是寬能隙功率元件最具主場優勢的應用。因為這類應用需要具備雙向電力傳送的能力,因此不管是車載充電系統、充電樁或儲能系統的轉換器,都需要採用圖騰柱拓撲。然而,圖騰柱拓撲需要使用兩個體二極體作為高頻整流開關,除了驅動控制較為複雜,如果使用傳統矽二極體,因為其恢復時間較慢,電流倒灌所引發的損耗大,會嚴重降低電源轉換的效率;如果採用IGBT,雖然其恢復時間夠快,但IGBT的導通壓降比較大,也會產生很高的效率損失。
圖1 羅姆半導體設計中心副理唐仲亨分析,電動車與儲能將是帶動SiC市場成長的主要引擎。
因此,如果電源設計者想實現圖騰柱拓撲,最理想的選擇將是GaN或SiC。不過,如果是充電樁或大型儲能系統,甚至軌道運輸這類應用,因為其功率需求都非常高,在此前提下,SiC會是比GaN更合適的選擇。目前已經商品化的GaN FET,耐受電壓通常為600V或650V,但SiC則是1,200V起跳,未來更會一路向上發展到3,300V。在需要超大功率傳輸的應用上,SiC具備先天優勢。
另一方面,學術界目前在提高GaN FET的耐受電壓方面,最近已有所突破,成功地將GaN FET的耐受電壓提高到900V。但唐仲亨認為,從應用面的角度來看,這個耐受電壓規格其實有些尷尬。他解釋,在一般家電或消費性電子產品應用,如果要推出一款可以適用全球電壓的產品,母線電壓的規格通常會訂在400V,對功率元件的耐壓要求則會落在600V或650V。如果是工業用產品,因為是三相供電,所以母線電壓會提高到800V,功率元件的耐壓要求則是1,200V,或是在某些特殊的系統設計中,仍可使用耐壓650V的元件。900V耐壓對GaN FET來說,有技術發展里程碑的意義,但從實際應用的角度來看,因為消費性電子不需要900V耐壓,主流工業設備則需要1,200V耐壓,所以GaN FET耐壓提高到900V,其實無助於拓展GaN FET的應用市場。
SiC價格仍高 供應商想方設法降成本
以目前的市場行情來說,650V GaN FET的價格,大約只有1,200V SiC FET的三成左右。因此,如果SiC元件供應商想搶攻650V以下的應用,是相當困難的挑戰。這也帶出了SiC元件在應用推廣上一直遇到的瓶頸--價格問題。SiC材料的價格本來就比矽跟GaN高出一大截,因此,如果要比元件價格,SiC先天上就處於不利地位。這也使得SiC元件供應商必須設法從兩個面向來解決問題,一是降低元件本身的成本,二是幫助客戶降低系統總成本。
目前SiC元件供應商的生產線多半都還在從四吋晶圓提升到六吋晶圓的過程中,例如羅姆目前就是四吋跟六吋各半,僅英飛凌(Infineon)已經全面採用六吋晶圓量產。另一方面,目前投入SiC元件市場的業者,很多都還採用平面結構,這使得元件的裸晶尺寸(Die Size)很難持續降低。相較之下,採用溝槽式結構的SiC元件,理論上會有更大的尺寸微縮空間。不過,目前採用溝槽式結構的SiC元件供應商,也只有羅姆跟英飛凌兩家。
英飛凌(Infineon)工業電源控制事業處主任工程師林彥任(圖2)表示,其實該公司會選擇溝槽式結構,主要還是從提高元件可靠度的角度切入。工業電源領域最重視的還是元件可靠度,採用平面結構的SiC,在技術上很難做到跟IGBT媲美,但溝槽式架構可以將SiC元件的可靠度拉高到接近IGBT的水準,這是英飛凌決定走溝槽式路線的最主要原因。但不可諱言的是,溝槽式結構理論上確實也有較大的成本降低空間。因為溝槽式結構是在垂直方向上發展,所以比起平面式結構,單一元件占用的晶圓面積可以做得比較小。
圖2 英飛凌工業電源控制事業處主任工程師林彥任表示,SiC成本偏高的問題,供應商要雙管齊下才能解決。
值得一提的是,除了量產使用的晶圓大小、裸晶尺寸外,在降低生產成本方面,英飛凌還把腦筋動到晶圓的厚度上。由於SiC材料的硬度較高,相對也比較脆,因此在從晶柱切割出晶圓時,為避免破片,每片晶圓的厚度遠超過後續元件製程所需的厚度,形成材料浪費。再加上SiC材料本來就貴,因此若能降低晶圓的厚度,對降低元件生產成本,可以帶來極大幫助。
這也是英飛凌先前決定斥資1.24億歐元購併Siltectra的原因之一。Siltectra擁有獨特的Cold Split切割技術,可以在碳化矽晶圓完成製程步驟後,將一片晶圓再等分切割出第二片,等於讓材料利用率提升一倍。目前碳化矽晶圓供應商提供的晶圓,厚度可達350微米,但如果是要用來製造FET元件,其實晶圓厚度只需現有晶圓的數十分之一便已足夠。Cold Split技術讓英飛凌得以把一片晶圓當成兩片用,而且不會影響晶片的良率跟特性。
至於在降低客戶的系統總成本方面,英飛凌的評估認為,雖然SiC元件跟現有元件有明顯價差,且在可預見的未來,都很難做到比矽元件便宜,但如果能將切換頻率拉高到40kHz,則整個電源系統的成本,將因為磁性材料等周邊元件用量減少,而帶來15~20%的節省效果。
GaN主攻消費性/伺服器電源 高整合方案勢在必行
相較於主攻高電壓應用市場的SiC,GaN則是靠著高速切換、低損耗且價格較貼近現有矽元件的優勢,可望在消費類及IT基礎建設領域找到應用商機。然而,由於GaN的材料特性與矽不同,使得GaN HEMT(或稱GaN FET,因其功能與MOSFET相當,但基於GaN材料,故稱為GaN FET以資區別)跟工程師已經十分熟悉的MOSFET,在驅動跟控制方法上有許多出入,再加上GaN FET若要完全發揮其高速切換的潛力,必須把驅動控制跟FET整合在一起,這將使得以GaN功率元件走向以高整合度為主流的發展道路。
德州儀器(TI) GaN、電源管理與半導體營運成長及戰略行銷長Masoud...
GaN射頻元件2024年產業規模突破200億美元
近年來,由於氮化鎵(GaN)在高頻下的較高功率輸出和較小的占位面積,GaN已被RF工業大量採用。根據兩個主要應用:電信基礎設施和國防,推動整個氮化鎵射頻市場預計到2024年成長至20億美元,產業研究機構Yole Développement(Yole)的研究報告指出,過去十年,全球電信基礎設施投資保持穩定,在該市場中,更高頻率的趨勢為5G網路中頻率低於6GHz的PA中的RF GaN提供了一個最佳發展的動力。
自從20年前第一批商用產品出現以來,GaN已成為射頻功率應用中LDMOS和GaAs的重要競爭對手,並以更低的成本不斷提高性能和可靠性。第一個GaN-on-SiC和GaN-on-Si元件幾乎同時出現,但GaN-on-SiC在技術上已經變得更加成熟。GaN-on-SiC目前主導GaN射頻市場,已滲透到4G LTE無線基礎設施市場,預計將部署在5G 6GHz以下的RRH架構中。然而,與此同時,在經濟高效的LDMOS技術方面也取得了顯著進展,這可能會挑戰5G sub-6Ghz主動式天線和大規模MIMO部署中的GaN解決方案。
GaN射頻元件市場整體規模再2018年約6.45億美元,無線通訊應用約3.04億美元、軍事約2.7億美元,航太應用3700萬美元為三大主要應用,2024年整體市場將成長至200.13億美元,年複合成長率達21%,無線通訊應用規模達7.52億美元,軍事應用為9.77億美元,值得注意的是RF Energy將從200萬美元成長至1.04億美元。
發揮長期隔離能力 閘極驅動器功率極限再進化
本文將探討藉由對IGBT/MOSFET電源開關進行破壞性檢測,分析閘極驅動器的隔離耐受能力。例如,對於像是電動/混合動力車這類高可靠度/高效能應用而言,隔離式閘極驅動器必須確保隔離阻障層(Isolation Barrier)在所有情況下維持完好。隨著Si-MOSFET/IGBT不斷改良,以及氮化鎵(GaN)和碳化矽(SiC)技術的推出,現代功率轉換器/逆變器的功率密度也跟著提升。
因此業界需要高整合度的隔離式高強固新型閘極驅動器。由於電氣隔離機制已整合在驅動器晶片內,因此這些驅動器得以小型化。電氣隔離可透過整合型高電壓微變壓器或電容來達成。由於只要出現一次意外的系統故障就可能導致電源開關損壞或爆炸,或甚至整個電源逆變器(Power Inverter)毀損,因此必須針對高功率密度逆變器來評測閘極驅動器在隔離方面的安全性能。這方面的隔離可靠度,必須針對電源切換開關毀壞的最糟狀況來進行測試與驗證。
當高功率MOSFET/IGBT失效時,逆變器內部數千微法拉的電容組(Bank Capacitor)在最糟狀況下會快速放電。這些釋放的能量會導致MOSFET/IGBT毀損、封裝爆裂以及電漿外溢到環境中。部分能量會流到閘極驅動器的線路,則會導致電氣過載(Overstress)。另外由於功率密度極高,因此即使在晶片本身失效的情況下,驅動晶片也應設計成能夠維持電氣隔離。
建構高整合度閘極驅動器
晶片層級隔離方面,運用平面微變壓器來提供電氣隔離。它採用晶圓層級技術進行製造,並製作成半導體元件的規格。在一個iCoupler通道中含有一個IC,以及晶片層級的變壓器(圖1)。在隔離層中則有隔離阻障層來分隔每個變壓器的頂部與底部線圈(圖2)。數位隔離器採用厚度至少20微米的聚醯亞胺(Polyimide)絕緣層來分隔平面變壓器線圈,其製造流程也整合成晶圓製程的一部分。這樣的製程除了讓隔離元件能以低廉的成本整合到任何晶圓廠的半導體製程外,還能達到極高的品質與可靠度。圖2的橫截面圖顯示透過極厚的聚醯亞胺層隔開頂部與底部線圈。
圖1 MOSFET半橋驅動器的晶片配置
圖2 微變壓器的橫截面
封裝內的分離導線架(Split Lead-frame)會完成隔離機制。當電源開關爆炸導致閘極驅動器輸出晶片受損,內部晶片的分區與配置設計必須確保隔離層完好無損。目前已建置許多保護措施以確保閘極驅動器內部隔離機制在遭遇事故後的存活力:
.適當調整外部電路以限制流入閘極驅動晶片的電力
.適當配置驅動晶片的輸出電晶體
.適當配置晶片上的微變壓器
.適當配置封裝內部的控制與驅動晶片
晶片內部閘極驅動器的配置,如圖1能在極端電氣過載狀況下避免電氣隔離性能崩潰。
破壞性測試模擬逆變器失效
透過組建一個含有385V與750V兩個電壓位準的測試電路以用來模擬實際電源逆變器的各種狀況。在需要對110V/230V交流電網進行功率因素修正的系統而言,385V的電壓位準相當常見。750V則常見於高功率逆變器,這類逆變器用來驅動許多應用,其中使用到的開關其額定崩潰電壓多為1200V。
在破壞性測試中,其中一個逆變器接腳連著一個電源開關以及一個適合的驅動器,在開關失效之前會維持導通狀態。在破壞期間系統會紀錄下波形,以判斷流入閘極驅動晶片的能量。之後研究各種保護措施,以限制流入閘極驅動電路的破壞性能量。在破壞性測試中用到許多種類的IGBT與MOSFET。
MOSFET/IGBT在受控破壞模式下測試電路
在IGBT/MOSFET驅動器的電氣超載測試(EOS-test)方面,我們設置一個相當接近真實世界條件的電路(圖3)。電路中含有電容與電阻,對於5kW至20kW功率範圍的逆變器而言都是相當適合的元件。在閘極電阻Rg方面,採用的是額定2瓦功率的軸向型金屬電阻。當中用到一個阻隔二極體D1,用來防止電力從高電壓電路逆流到外部電源。
圖3 EOS電路配置,用來量測隔離耐受性檢測中電源開關的損壞狀況
這個二極體也能反映真實狀況,因為浮接(Floating)電源供應器內含至少一個整流器(亦即自舉電路)。高伏電源HV會透過一個接有充電電阻Rch以及一個開關S1的電路對阻塞性電極電容進行充電。在EOS-test方面,則維持以500µs的開啟訊號貫入到控制輸入電壓VIA或VIB。這個開啟訊號透過微隔離(Microisolation)構造進行傳送,會導致短路狀況並破壞電源電晶體T1。在一些情況中,甚至會觀察到電晶體封裝爆裂。
在這裡,我們在兩個電壓位準上用四種電源開關來模擬逆變器的損壞。第一種測試是針對特定類型的切換開關,第一次會接上電力限制電路,第二次則不接。為限制損壞階段流入驅動器電路的能源,在一些測試中會把齊納二極體Dz(BZ16,1.3瓦)直接連到驅動器的輸出針腳。另外還會研究不同的閘極電阻值。
檢測直接閘極驅動器電路受損狀況
另一項測試則是模擬最糟狀況條件,當中破壞性能源直接導入閘極驅動器的輸入與輸出晶片。在這項破壞性測試中,完全充電的最大體積(bulk)電容直接連到閘極驅動器的輸出接腳(圖4)。這項測試顯示可能出現最糟狀況的超載,故能檢驗隔離耐受性的能力。能源直接流入驅動電路,而閘極電阻則是唯一的電力限制元件。其中中繼器S2把高電壓耦合到閘極驅動器的輸出電路。
圖4 EOS電路,在隔離耐受測試中用來判斷能源限制的能力
圖5顯示在最糟狀況測試中,沒有任何元件用來限制能源流入晶片的輸入端與輸出端。在高電壓750伏的直接應用方面,透過開關S1連至輸出晶片,用來代表最糟狀況的條件,中間高電壓750伏特導入驅動晶片,當中沒有用到任何能源限制閘極電阻。
圖5 EOS電路在最糟狀況中,能源直接貫入輸入與輸出晶片。
另外一種可能的最糟狀況,超量電源電壓貫入到驅動器一次側的控制晶片。輸入電源電壓的最大建議值為5.5V。倘若DC對DC轉換器產生的輸入電壓不受調節,其輸出的電壓就會升高。在不受控制的狀況,許多尖端直流對直流變壓器的輸出電壓可能提高二至三倍。貫入閘極驅動器輸入晶片的能源受到限制,而包括電阻、電源切換開關、電感等其他元件也都包含在內。這些元件會阻止能源流入控制晶片。這裡選用15V的電源電壓以及1.5安培的電流,用來模擬真實世界中直流對直流變壓器機能失常的狀況。
如表1所示,使用圖3、圖4、圖5電路進行超載測試的結果。為判斷保護電路的影響,對每種MOSFET/IGBT電源開關進行兩次測試。在9、10、11最糟狀況測試中,使用到開關S1與S2。
一般而言,齊納二極體有助於保護驅動電路,如表所示(比較測試1與測試2)。然而當閘極電阻值過小,不論是否有齊納二極體,驅動器都會受損(比較測試3與測試4)。
比較測試2與測試3,以及對照測試3與測試4,即可估算出驅動器的損壞能源。測試5與測試6提供一項有意思的結果:超接合面(Super-junction)MOSFET比起相同額定功率的IGBT更能限制能源流入閘極驅動器。測試9、10、11的目的-無上限能源流入控制與驅動器晶片-則是用來研究在最糟狀況下隔離耐受性的效能。
破壞性測試顯示在電源開關受損時的不同波形。圖6的波形是一個超接面MOSFET,開啟到晶片損壞之間大約經過100微秒,只有極小的電流流到驅動晶片,故能通過超載測試。在相同的測試條件下,標準MOSFET導致大幅提升的閘極電流與過壓,而使驅動器受損,如圖7所示。
圖6 破壞SPW2460C3產生的波形圖;沒有觀察到驅動器受損
圖7 破壞2個並聯FDP5N50所產生的波形圖;閘極驅動器失效
晶片損壞分析
部分密封的閘極驅動器顯示在不同開關與不同測試條件下出現類似的晶片損壞。圖8顯示一個P-MOSFET輸出驅動器在測試8中表1的損壞狀況。750V電壓的測試中導致一個IGBT爆裂,以及損壞限能元件Rg與DZ;不過只有在VDDA接腳焊線附近出現小區域的熔融。
圖8 閘極驅動晶片照片顯示測試8的損壞區域。隔離層中沒有發現損壞
受損階段的閘極過流,會從P-MOSFET的本徵二極體流到100微法拉電容。由於電流擁擠效應,靠近焊線的區域出現熔融。除此之外驅動晶片沒有其他損壞,控制晶片的隔離層也沒有觀察到損壞。圖9顯示測試9的熔融區,過程中150伏特的電壓直接貫入驅動晶片。控制晶片的電氣隔離能耐受這種極端超載測試。
圖9 閘極驅動晶片的照片顯示測試9過程中的損壞區域。極端的電氣超載並沒有破壞控制晶片。最終結果並沒有偵測到隔離機制受到損壞
一次側的最糟狀況顯示超量電源電壓貫入控制晶片的結果。在測試11中,15伏特的電源電壓貫入VDD1接腳,如圖5,遠遠超過絕對最高額定值7.0伏特。圖10照片顯示晶片中靠近VDD1接腳的區域出現熔融。
圖10 輸入控制晶片照片顯示測試11中的受損區域。貫入電路的能源導致在VDD1接腳附近出現範圍極有限的熔融。隔離層本身則沒有受損
電源切換開關的破壞性測試不會影響到整合式閘極驅動器的隔離耐受性。即使驅動器因超量能源流入輸出晶片而受損,也只有局部小範圍的區域會出現熔融。超量的能源會直接透過P-MOS驅動器電晶體導入到阻隔電容。因此熔融只會出現在P-MOS區域。
ADI的整合式閘極驅動器ADuM4223/ADuM3223的晶片配置不允許熔融區域擴散到控制晶片,因為控制晶片內含電流隔離訊號變壓器。為限制能源流入驅動器的輸出端,業界會使用齊納二極體。齊納二極體搭配一個適合的閘極電阻,能在電源切換開關受損時保護閘極驅動器。可以設計閘極電阻在整流時管理電力消耗,以及在出現損壞時隔離驅動器與電源開關。當高電壓直接貫入晶片時,閘極電阻可發揮保險絲的作用。電阻會讓晶片損壞控制在小範圍,只會在輸出電源切換開關附近出現熔融。
在最糟的狀況下,當無受限能源貫入輸出晶片,驅動器輸出接腳附近會出現有限的熔融區域。這項測試並沒有影響到隔離耐用性。在一次側的最糟狀況中,當電源電壓大幅超越絕對最大額定值,在電源電壓接腳的週圍就會出現有限度的熔融區。在任何電氣超載測試中,都沒有隔離能力弱化的跡象。之後進行高電壓隔離測試,則確定電氣微隔離的耐受性能。適當的晶片結構,以及驅動器封裝內部的晶片配置,能阻止破壞能源擴散到微變壓器的高電壓隔離層。
(本文作者任職於ADI)
加強RF/功率半導體布局力道 Cree出售照明業務
為了更專注於加強RF業務及碳化矽(Silicon Carbide)和氮化鎵(GaN)技術,Cree將其照明業務出售給IDEAL INDUSTRIES。並藉此行為將更多資源投注於擴展其半導體業務,強化該公司在SiC和GaN市場的競爭優勢,滿足電動汽車、5G等應用需求。
Cree為了成為更具針對性的半導體公司,為Wolfspeed(Cree的核心和RF業務)提供更多資本,並提供額外資源以擴展其半導體業務。近日宣布執行最終協議,以大約3.1億美元的金額出售其照明產品業務部門Cree Lighting給IDEAL INDUSTRIES。其中包括商業用LED、燈具和企業照明解決方案業務和工業與消費性應用產品。
Cree執行長Gregg Lowe表示,Cree在過去的18個月中有重大的進展,加強了業務的重點,不僅致力於強化碳化矽和氮化鎵技術,使Wolfspeed成長了一倍以上;並收購了英飛凌(Infineon)的RF業務,使碳化矽材料製造能力也增加了一倍之多,另外簽署了多項長期供應協議,總計超過5億美元。
Lowe進一步說明,透過此次交易,Cree可以獲得大量資源,有助於加速Wolfspeed的增長,從而鞏固其市場地位。最重要的是可以增加對核心業務的重點經營,並加快碳化矽的採用。
IDEAL INDUSTRIES董事長兼執行長Jim James則提到,透過此次交易,該公司的技術與專業知識將與Cree Lighting市場優勢相結合,致力於創新,以及擴展技術實力和加強營運,而IDEAL INDUSTRIES也非常期待能協助Cree Lighting發揮其潛力。
貿澤供貨TI LMG3410R070 GaN功率級產品
貿澤電子(Mouser Electronics)即日起開始供應Texas Instruments(TI)的LMG3410R070 600V 70 mΩ氮化鎵(GaN)功率級產品。LMG3410R070具有超低的輸入與輸出電容,支援高功率密度之電動馬達應用的新型態需求,適合的應用包括工業型與消費型的電源供應器。高效能GaN功率級支援的電流、溫度、電壓和切換頻率皆比矽電晶體更高,同時還可減少多達80%的切換耗損。
貿澤電子所供應的TI LMG3410R070 GaN功率級內建整合式閘極驅動器,具備穩定可靠的保護功能,可提供比矽MOSFET和絕緣閘雙極電晶體(IGBT)更為出色的效能。裝置具有零共源電感、25~100V/ns可由使用者調整的旋轉率,以及適合mHZ作業的20ns傳播延遲。這款穩定的IC具備過電流保護,支援超過150V/ns旋轉率的抗擾性、過熱保護及瞬態過電壓抗擾性,且所有供電軌皆具備過電壓鎖定保護。LMG3410R070功率級採用尺寸小巧的8mm×8mm QFN封裝,無需外部保護元件,對於簡化設計和布局流程很有幫助。
高效能的LMG3410R070很適合搭配KEMET Electronics的KC-LINK表面黏著電容器運作。KC-LINK電容器經過特別設計,具有極低的有效串聯電阻和熱阻,有助裝置承受高頻、高電壓DC連結應用的應力,符合TI LMG3410R070 IC等快速切換半導體的需求。
TI LMG3410R070功率級提供了優異的功率密度,有助於實作Totem Pole PFC之類的高效拓撲,幫助電源供應器縮小多達50%的尺寸。LMG3410R070 IC適合的應用包括多級轉換器、太陽能逆變器、高電壓電池充電器和不斷電系統。
是德科技提供可靠的功率元件設計解決方案
是德科技(Keysight Technologies)是推動全球企業、服務供應商和政府機構網路連接與安全創新的技術領導廠商,該公司日前宣布獲選為ON Semiconductor的電子設計自動化合作夥伴,為其功率元件提供設計解決方案,以達到提高可靠性並加快產品上市時間的目標。
節能需求正驅動著功率元件產業加速創新,因而需要更高效率和更高功率密度的電源供應器及太陽能變頻器。電動車追求每次充電只需更短的時間便能行駛更遠距離的目標。寬能隙材料,如碳化矽和氮化鎵等新一代材料,是能夠有效提高效率的技術,可為未來的應用提供高效能和高效率的動力。
功率元件製造商需為這些新材料提供可靠的設計解決方案。是德科技功率電子設計軟體套件專為功率電子工程師而設計,讓他們能利用完整的設計工作流程進行功率元件設計。
有了是德科技功率電子設計解決方案,能以前所未有的準確度和靈活性,研究新設計及元件的交互作用,進而實現基於寬能隙的功率元件應用。此外,是德科技先進設計系統(ADS)軟體與ON Semiconductor先進物理SPICE模型的無縫整合,使得該公司首次能夠研究元件與環境的交互作用,以便深入洞察最佳應用設計,讓我們的內部測試電路和客戶皆受益。
是德科技功率電子設計解決方案整合了電磁場解算器,方便設計工程師以圖形化方式查看設計效果,毋須耗時建構和測試原型,如此可增強設計工程師的信心,並且讓產品更快問市。
劍指GaN市場 英飛凌CoolGaN新品來勢洶洶
氮化鎵(GaN)近年於電源應用領域大行其道,商機也因而快速成長。而為穩固電源晶片市占龍頭寶座,並搶攻GaN市場版圖,電源晶片供應商英飛凌(Infineon)也趁勢推出新一代GaN解決方案「CoolGaN 600 V增強型HEMT和EiceDRIVER驅動IC」,期能為伺服器、電信、無線充電或適配器(Adapters)等電源產品提供更高的電源效率與功率密度,並減少體積與設計成本。
根據市調機構Yole Développemen研究顯示,2016年氮化鎵(GaN)功率元件產業規模約為1,200萬美元,而到了2022年,該市場將成長到4.6億美元,年複合成長率高達79%。
對此,英飛凌電源及多元電子事業處資深產品行銷經理鄧巍表示,GaN市場成長十分強勢,其市場產值從千萬美元不停攀升,甚至十年後可能達到10億美元的產值;而主要驅動力來自於電源和汽車產業。
因應電源產業對GaN需求明顯增加,英飛凌也於近期宣布推出CoolGaN 600 V增強型HEMT和EiceDRIVER驅動IC。新款增強型HEMT採用可靠的常閉概念,實現快速開通和關斷,並可在開關式電源(SMPS)中達到高能源效率和高功率密度;且具更低的柵極電荷及反向導通狀態下的優異動態性能,進而大幅提高工作頻率。
鄧巍說明,GaN元件其中一項設計挑戰在於,如何將其從Normally ON設計成Normally OFF,以滿足安全考量。對此,英飛凌運用了獨特的常閉(normOFF)概念,採用P-GaN技術,把源極和漏極的電子層變薄,使其容易箝斷,因而能讓GaN元件實現Normally OFF的特性。
另一方面,為了使電源產品設計業者更能發揮GaN的特性,英飛凌也推出EiceDRIVER驅動IC,該系列產品專為CoolGaN量身定制,可提供負輸出電壓,以快速關斷GaN開關。在開關應處於關閉狀態的整個持續時間內,EiceDRIVER IC可以使閘極電壓穩定保持為零,以保護GaN開關不受雜訊影響導致誤導通;且可實現恒定的GaN HEMT開關轉換速率,幾乎不受工作迴圈或開關速度影響,確保運作穩健性和高效能,大幅縮短研發週期。
鄧巍指出,即便有了高效能的GaN元件,但沒有具備好的驅動IC的話,同樣無法體現GaN的優勢。也因此,EiceDRIVER驅動IC可說是專為確保CoolGaN開關實現強固且高效的運作所設計,協助電源產品設計商進行電路、死區和損耗控制等,以減少工程師研發工作量,加快產品上市時程。