GaN已成為5G能量催化劑
“氮化鎵的出現將滿足5G需求，實現新的拓撲結構，并徹底改變快速充電，”Navitas Semiconductor企業營銷和投資者關系副總裁Stephen Oliver如是說。
GSMArena發布的數據表明，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。
正如傳統低頻拓撲結構所呈現的那樣，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，設計的功率密度和熱密度都出現了瓶頸。
10年內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功能的增加以及數據處理和傳輸速率和容量的增強，使人們開始關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提供的電源產品。
他認為，提升功率密度的關鍵是提高開關頻率，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術界提出，但由于硅的不良導通電阻和開關性能及復雜性，又缺乏優化控制IC而落地受挫。
2018年初，GaN功率IC的推出結束了這一局面，不僅使ACF具備了商業可行性，而且使智能手機充電器的高頻準諧振反激式充電，以及CrCM（臨界導通模式）升壓PFC（功率因數校正）拓撲結構、用于游戲筆記本電腦、一體式PC、電視和5G發射單元電源等更高功率系統的高速LLC（諧振控制器）和先進CrCM圖騰柱PFC具備了商業可行性。
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、高性能的數字輸入、輸出電源構件。由于柵極驅動回路基本上沒有阻抗，集成后關斷時幾乎沒有損耗。此外，還可以根據特定應用要求控制和定制開啟性能。
效果如何呢？GaN功率IC的運行速度比傳統硅設計快20倍，功率高3倍，并已被戴爾、聯想和小米等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拓撲結構消除了無源元件，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
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“精心設計的電壓和溫度應力測試表明，GaN功率器件具有汽車和工業市場所要求的高可靠性，”Transphorm質量和可靠性副總裁Ron Barr這樣認為。
寬帶隙（WBG）氮化鎵的功率MOSFET的優點使其在汽車電源子系統和數據中心電源等要求苛刻的場合發揮著越來越重要的作用。這些應用具有挑戰性的工作條件，且由于汽車保修成本或與數據中心可靠性相關的高成本，無法容忍出現故障。在選擇功率器件時，設計工程師必須確信其可靠、堅固和耐用。
以Transphorm常關型雙芯片設計的耗盡型GaN HEMT（高電子遷移率晶體管）TP65H035WSQA為例進行測試和分析，將GaN HEMT與一個常關型低電壓硅FET串聯在一起，組成共源共柵器件結構。
共源共柵符號及共源共源器件組合結構
該器件采用TO-247封裝，在175℃下符合AEC-Q101標準。在評估產品可靠性時，設計工程師需要四個可靠性信息/數據“域”來確定器件是否適合應用，包括：產品認證；高加速壽命試驗；早期壽命失效試驗；現場可靠性。
產品認證
產品認證主要遵循兩個業界常用標準。JEDEC JESD 47適用于商用器件，更嚴格的AEC-Q101標準適用于車規器件。每個標準都有一系列產品必須通過的測試，如溫度循環、高溫反向偏壓、高溫柵極偏壓等，這樣的產品才能被視為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，即在有時超出其數據表極限的條件下對器件施加應力，直到器件失效，與此同時收集有關失效時間（TTF）的數據，以便應用適當的模型來預測耐用壽命（也稱固有壽命）。
在反向偏壓下，對處于關閉狀態的電壓介于1050V和1150V的批量650V額定電壓器件進行測試，直到大多數器件出現故障。然后計算在每一組條件下的平均失效時間。
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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，條件通常源于應用的任務概要。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。
所有測試數據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用中的保修風險，并測試器件損壞前發生失效的概率。早期壽命失效（早期失效率）通常是由于制造過程中沒有發現或篩選出的缺陷而發生的，通常稱為“內在缺陷”。在GaN器件案例中，這些內在缺陷會導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，以增加發現內在缺陷的概率。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。數據表明，FIT率非常低，這可能預示著非常好的現場可靠性。
現場可靠性
Transphorm的現場可靠性計算遵循行業慣例，并考慮了交付的器件數量、現場使用多長時間以及客戶報告有多少器件失效。當然，并不是所有產品都能立即交付或使用，為了保守起見，將器件小時總數減半。Transphorm在現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OEM具有挑戰性的可靠性要求。這些GaN器件的可靠性至少與現有的硅和其他寬帶隙技術相當，而且往往更好，”Barr自信地總結道。
GaN柵極驅動的新要求
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“低功耗GaN是下一個革命性步驟，將為電力電子應用開辟一個新紀元。不過，使用新型功率晶體管技術需要注意一些問題，”英飛凌科技*首席工程師Eric Persson指出。
功率開關在提高適配器性能、密度和成本方面的作用不可小視。傳統上，作為開關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的發展，直到今天，硅SJ（超結）晶體管一直是充電器/適配器中使用的主要晶體管技術。它可以提供低導通電阻、優異的電流處理能力、簡單的柵極驅動，以及在小封裝中經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。一些設計使用“齊納”效應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（SOA）內，這種方法也會增加功率損耗，并可能導致產生額外的不良EMI（電磁干擾）。此外，浪涌產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定應用條件，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節雷擊浪涌電壓。
應用GaN晶體管的關鍵在于其柵極驅動的要求不同于硅晶體管。一個重要區別是GaN的閾值和全導通柵源電壓（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閉方面出現挑戰。在ACF電路中，兩個晶體管被配置為半橋，主開關在底部，有源箝位作為高壓側開關。控制器和低邊晶體管驅動器由偏置電源供電。但是高壓側柵極驅動器需要一個浮動電源。在大型電信或數據中心電源中，可以用一個單獨的DC-DC轉換器為高壓側提供浮動偏置電源。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
為高壓側供電的一種常見方法是所謂的自舉（bootstrap）電源，即當低壓側接通時，高壓側偏置的儲能電容器通過二極管從低壓側偏置電源向上充電。當高壓側打開時，它會從儲能電容器中吸取偏置，且必須定期補充（每次低壓側打開時）。當電路連續工作時，這是為高壓側供電的一種非常有效和低成本的方法。但挑戰在于如何在不連續模式下操作。
那么，如何避免自舉電容器沒有充電時高側虛假開啟呢？一般的柵極驅動器IC有時包括一個箝位電路設計，但用于硅晶體管的傳統方法依賴于更高的閾值電壓（如3-4V），因此，如果電路在1-2V范圍內開始箝位，不幸的是，它們需要數百ns才能開始箝位。而GaN晶體管已經可以在這些柵極電壓下傳導大量電流。
為了優化與GaN晶體管結合的快速箝位驅動器性能，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）。
與競爭產品相比，這種集成和分區方法有以下優勢：
高低側驅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時間調整到最小，以獲得最佳效率
柵極驅動RC（電阻-電容）網絡在外部，允許調節開關速度以平衡損耗和EMI，通過隔離柵的電容非常小，降低了共模EMI電流
寫在最后
發揮優勢的時刻已經到來
以氮化鎵、碳化硅為代表的第三代半導體具備耐高溫、耐高壓、高頻率、大功率、抗輻射等優異特性，工藝、成本等方面的限制正在慢慢消融，接下來就要看應用端如何通過器件測試、驅動開發、外圍元件配套發揮其優勢了。
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