我经常感到的奇怪的是,我们的行业为什么不在加快氮化镓 (GaN) 晶体管的部署和采用方面加大合作力度;毕竟,大潮之下,没人能独善其身。每年,我们都看到市场预测的前景不太令人满意。通过共同努力,我们能够大大增加这项高能效技术的市场渗透能力。

如果GaN取得胜利,我们都是赢家。世界范围内的能效只需提高1%就足以关闭45个火力发电厂。在我们的日常生活中,我们已经目睹了GaN技术的部署和采用—在几个月之前,有些事情我还不太明白,直到我女儿问我GaN长得什么样子时,我才意识到,在家中的节日彩灯中有数百个GaN:GaN LED。

一个很不错的合作主题就是GaN可靠性。即使GaN晶体管现在通过了传统硅质量检测应力测试,或被称为“qual”,它的部署和采用仍然很慢。由于它是基于硅材料的,“qual”并不能提振低用户对于投入回报的信心。虽然通过“qual”测试对于器件的生产制造、质量和可靠性具有里程碑式的意义,但还不清楚它在器件使用寿命、故障率和应用相关性方面对GaN晶体管具有怎样的意义。开发人员有多种选择,即使硅材料解决方案体积更大且能耗更高,但是它们已经过了测试。

对于采用GaN的开发人员来说,他们需要对这一部件有信心,相信它们在预期的使用寿命内能够在应用中实现稳健耐用运行。在TI,我们始终在深入思考这意味着什么,并将其归结为图1中所表示的2个项目。首先,传统硅技术方法需要针对GaN和其故障模式进行拓展。第二,应力测试需要包括电源管理的开关条件,而这是传统硅材料qual测试无法解决的。

1GaN质量鉴定需要现有硅方法体系的扩展,并且需要增加实际使用情况下的应力测试

当一个行业携起手来共同开发标准时,这些标准就被认为是可信的。预测性的可靠性标准需要对技术和其故障模式的深入了解;以及在测试、质量鉴定和产品运行方面的知识。预测性标准的优势在于极大加快了市场普及,而第一步就是意识到现有技术的不足和缺陷。

我首先在一份白皮书中(一个鉴定GaN产品可靠性的综合方法)对这个问题进行说明。这份白皮书引发了业内的讨论,这也促使我们将这个对话延续下去,我们在今年3月召开的应用电力电子会议 (APEC) 上提交了一份行业对话论文,并且接受IEEE国际可靠性物理学讨论会 (IRPS) 技术委员会的邀请。我们希望本次对话能够进一步扩展至工作组层面,并且在其他人也针对这个重要话题发表看法时拓展工业领域的协作。

TI正在通过可靠且可信赖的GaN产品努力打造一个能效更高的未来,将数年的硅制造专业知识和先进器件开发才能引入到GaN中。TI一直充分利用我们现有的生产制造基础设施和能力,使我们的600V GaN工艺符合要求。为了确保可靠性和稳健耐用性,在对我们的器件进行测试时,我们所使用的GaN特定测试方法远远超过了传统硅质量鉴定做法。

借助于合格的器件,电源设计人员能够实现GaN的满功率运行,打破市场普及阻碍,而最为重要的一点是,使我们有可能生活在一个能效更高的世界中。

原文链接:

https://e2e.ti.com/blogs_/b/powerhouse/archive/2016/03/22/let-s-gan-together-reliably

Anonymous
  • 氮化镓器件提供的功率密度比砷化镓器件高十倍。由于氮化镓器件的功率密度较高,因此可以提供更大的带宽、更高的放大器增益,并且由于器件尺寸的减少,还可提高效率。氮化镓场效应管器件的工作电压比同类砷化镓器件高五倍。由于氮化镓场效应管器件可在更高电压下工作,因此在窄带放大器设计上,设计人员可以更加方便地实施阻抗匹配。所谓 “阻抗匹配”,是指在负载的输入阻抗设计上,使得从器件到负载的功率传输最大化。氮化镓场效应管器件提供的电流比砷化镓场效应管高二倍。由于氮化镓场效应管器件提供的电流比砷化镓场效应器件高二倍,因此氮化镓场效应器件的本征带宽能力更高。氮化镓在器件层面的热通量比太阳表面的热通量还要高五倍! “热通量” 是单位面积的热量输送率。由于氮化镓是高功率密度器件,因此它在非常狭小的空间内散发热量,形成高热通量。这也是氮化镓器件的热设计如此重要的原因。碳化硅的导热性是砷化镓的六倍,是硅的三倍。碳化硅具有高导热性,这使它成为高功率密度射频应用的首选衬底。氮化镓的化学键强度是砷化镓化学键的三倍。因此,氮化镓的能隙更大,能够支持更高的电场和更高的工作电压。氮化镓—氮化铝镓结构的压电性是砷化镓—砷化铝镓结构的五倍。氮化镓器件在200 摄氏度下工作100 万小时,失效率低于0.002%。TI在GaN已经有充分的论证,实验了,非常稳定了。

  • 在传统电源器件和电路制造和设计都已经达到很高水准的情况下,再要进一步提高效率是非常困难的,新材料GaN产品的出现使电源效率进一步提高提供了可能性。前期推广应从对性能效率要求较高,但对价格不太敏感的医疗设备、航空航天领域入手,逐步打破普及障碍。

  • 提高1%就足以关闭45个火力发电厂!!!600V GaN可能是用途最广的管子了,应该600V这个档是我们最常用的产品型号了。更高的效率更高的寿命,长寿面来说本来就是减低了成本。

  • GaN能大力提高能效利用率,如果能替代传统晶体管,将为解决全球能源危机提供帮助。TI全力提高GaN产品可靠性,来推进电源解决方案向前发展,前景广阔。

  • GaN 功率开关的快速开关速度与相关更高效率,因此他们能适用于开关模式电源和射频(RF)功率放大器。他们可广泛取代现有的金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET), 且具有较低的“On”电阻、更小的寄生电容、更小的尺寸与更快的速度。可采用这些装置的新产品,包括电信直流对直流(DC-DC)、无线 电源(Wireless Power)、激光雷达(LiDAR)和D型音频(Class D Audio)。但是,任何半导体组件在几皮秒内切换,很可能会产生大量的电磁干扰(EMI),这有待于进一步的研究。

    GaN 功率开关的价值很明显,效率也比MOSFET来得好。虽然GaN技术已问世,但只有少部分数据谈论这些皮秒开关装置如何影响产品EMI的发生。而我相信有更多研究需要去完成EMI会发生的后果,至于EMI工程师与顾问在未来几年也 将可望采用GaN组件。