機械革命電腦樣基于GaN的功率技術引發(fā)電子轉換革命VIP

機械革命電腦樣基于GaN的功率技術引發(fā)電子轉換革命 摘要:面對即將發(fā)生的技術變革,國際整流器公司(簡稱IR)研發(fā)人員研制出具有創(chuàng)新意義的基于氮化鎵(GaN)的功率器件技術平臺。該技術保證其性能指數(shù)(FOM)可以比現(xiàn)在最先進的硅MOSFET優(yōu)越10倍以上。這些已商業(yè)化的基于GaN的功率器件將帶來嶄新的解決方案,使市場出現(xiàn)能夠提供高密度、高效率且符合成本效益的革命性功率轉換技術。 功率MOSFET出現(xiàn)之前,雙極性晶體管在功率電子領域一直占據(jù)主導地位,而且線性供電支配著整個電源世界。但是,30年前第一批商用化硅MOSFET的推出(包括IR已經(jīng)注冊商標的HEXFET),使功率電子領域發(fā)生了翻天覆地的變化。通過使開關電源更加小巧、輕便而且更有效率,功率MOSFET使市場快速接受開關電源。從那時起,MOSFET就成為很多應用的必選功率器件。幾十年過去了,MOSFET也在不斷演變。圖1展示了由平面HEXFET到TrenchFET和超結FET,硅MOSFET的性能指數(shù)所發(fā)生的巨大改善,而這些改善也使其能夠適用于不同的應用。 然而最近,MOSFET開始進入到性能瓶頸期。正如圖1所示,硅功率晶體管已經(jīng)接近成熟。就算工程人員努力希望硅功率FET可以再進一步,也只會事倍功半。 為了滿足市場對功率MOSFET不斷增長的需求,IR開發(fā)了GaNpowIR這種革命性的基于GaN的功率器件技術平臺。這個平臺保證能夠比現(xiàn)在最先進的硅MOSFET帶來高十倍的FOM,而且它對很多不同應用來說都有極大的潛能。如同30多年前的硅功率MOSFET一樣,IR專有的硅基GaN外延工藝和器件制造技術預示該領域即將出現(xiàn)一個高頻率、高密度且符合成本效益的功率轉換解決方案新時代。 1GaNpowIR技術:一個商用化平臺 如果想在功率應用上使用GaN技術,必須先選擇一種基片來形成GaN層。不論是塊狀GaN、SiC或者是藍寶石晶圓,它們在成本、供應量及尺寸方面都有缺點。雖然從前硅是最吸引的低成本基片,但使用也有困難,例如會形成瑕疵及變形。因為基片與外延膜之間在晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)方面本質(zhì)上不匹配,所以要完成可靠且有高品質(zhì)的硅基片GaN異質(zhì)外延工藝程序一向都很困難。工程人員非常努力地尋找能夠解決這些問題的控制程序和方法,最終開發(fā)了一種擁有低不良率,高一致性及器件可靠性的外延膜。IR的GaNpowIR平臺就在低成本的150mm直徑硅晶圓上沉積大量的GaN物料。 GaN技術商用化的另一個障礙,是與晶圓制程相關的制造成本。早期的GaN制造都涉及昂貴的程序,例如金沉積,又或者是那些不能進行自動化的運作程序。反之,GaNpowIR原本就是為在標準CMOS生產(chǎn)線上制造而設計,所以除了能夠降低成本,還確保了制程可以配合量產(chǎn)。 GaNpowIR一方面通過針對商用的量產(chǎn)來確保更卓越的性價比,另一方面也可以滿足針對器件品質(zhì)和耐用性的行業(yè)標準。為了勾劃出其故障模式,基于GaN的功率器件在不斷進行多種本質(zhì)可靠性測試。而同時進行的傳統(tǒng)的產(chǎn)品品質(zhì)認可測試,則可以確保IR的GaNpowIR器件能夠在其預定的工作壽命期間可靠運作。 首個上市的型號將是采用30V額定值的GaN晶體管,集成封裝DC-DC功率級,適用于由典型12V降壓到1V或以下的應用。擁有更高電壓額定值的器件將會在以后陸續(xù)推出。 如圖2所示,基本的硅基片GaN功率器件是一種高電子遷移率晶體管(HEMT),由于優(yōu)質(zhì)GaN表面上的A1GaN薄層的密切活動,自發(fā)而成的二維電子氣(2DEG)。因為這種器件是用備有高電子遷移率通道的HEMT進行建構,無需外施電壓也能夠導通,所以GaN HEMT通常都在導通狀態(tài)。 2硅基片GaN的好處 由于集成了高傳導電子密度、高電子遷移率和更高帶隙,所以基于GaN的功率HEMT可在指定的反向耐壓下大幅降低器件的通態(tài)電阻RDS(on)。圖3便顯示了在不同額定電壓下所計算出來的Si、SiC和GaN物理極限曲線。 大家可以看到GaN的通態(tài)電阻比Si和SiC都要小十倍以上。除了超結FET、IGBT這些為較低FOM而犧牲了開關性能及工序復雜性(成本)的器件之外,硅MOSFET在歷經(jīng)30年發(fā)展之后,可以說已經(jīng)接近或來到了它的物理極限。近來,基于SiC的功率FET的性能數(shù)據(jù)已經(jīng)在文獻上公開。與硅相比,它們看起來能夠提供更好的通態(tài)電阻,不過仍有改善的空間?；贕aN的FET已發(fā)布的性能表現(xiàn)同樣比硅好,而且這種物料距離其材料極限還很遠,未來可以有很大的進步。假如生產(chǎn)成本夠低,極具吸引力的性價比將驅使市場用基于GaN的功率MOSFET來代替基于硅的產(chǎn)品。這正是IR開發(fā)GaNpowIR平臺的理由。我們可以根據(jù)相關程度為每個應用選出數(shù)個性能指數(shù)來作性能衡量的憑證。 3實現(xiàn)價值 簡單的功率級價值主張可以定義為:效率*密度/成本。這個表達式包含了三個成分系數(shù)之間著名的折中關系。在任何時間,這一價值主張主要都是受性能表現(xiàn)最好的功率器件所推動。因此,像GaNpowIR這類新器件在R*Qg方面雖然有顯著的改善,但成本只會有輕微增加,從而導致出現(xiàn)革命性的效率、密度和成本水平,又或者是三者之間的折中。我們現(xiàn)在便談談一些GaNpowIR幫助改進密度和效率的例子。 我們在前面說過,基于GaN的功率器件有助大幅降低柵極電荷(Qg),所以器件的開關FOM RDS(on)*Qg也較硅器件要低很多。圖4展示的模擬實驗結果推斷,低電壓(30V)GaN功率器件的R*Qg FOM將不斷改進。按原型產(chǎn)品的數(shù)據(jù)及改善進程計劃,第一代硅基片GaN HEMT的RQ FOM將比目前最先進的硅MOSFET卓越33%。到xx年,FOM數(shù)據(jù)更會低于5m-nC,比新一代的MOSFET要先進10倍。 這對某個特定應用的密度而言,意味著什么?圖5所示的服務器微處理器穩(wěn)壓解決方案的例子,表明其應用改善藍圖與GaN改進進程(如圖4所示)并行。圖中顯示的為相關解決方案的占位面積和效率,這個案例能夠提供100A的電流,電壓則由12V轉換到1.2V。在xx年,當時最佳的硅解決方案可以1.4平方英寸的面積提供85%的效率。而在不久前,GaNpowIR功率級則能夠在將頻率提升到5MHz的同時,將效率保持在相同水平。這意味著解決方案的尺寸可以減少一半,因為在更高的工作頻率下可以減少被動器件的數(shù)目并采用更小巧的電感器。到xx年,計劃中的GaN技術改善將可以把解決方案的尺寸進一步減少,效率卻可以保持在相同的水平。從xx年開始,GaN技術的進步將讓解決方案能夠采用更高的頻率,使它可以移近負載;當?shù)搅藊x年,還可以與微處理器和降壓轉換器協(xié)同封裝。系統(tǒng)寄生損耗(電感器、負載線等)隨著調(diào)節(jié)器的位置愈來愈接近負載而顯著下降。雖然轉換器效率停留在85%,但整體的系統(tǒng)效率卻因為寄生損耗減少而增加。總的來說,GaNpowIR的改進預計可以讓整體解決方案的尺寸減少差不多十倍。 為了測試在不影響效率的情況下功率轉換密度的新水平,IR開發(fā)了一個配備GaN功率級的5MHz負載點(POL)轉換器原型。這個在5MHz進行開關的GaN POL模組是為10A負載電流、12V輸入及1.8V(典型)輸出而設計,尺寸比目前典型商用解決方案的三分之一還要小,但效率卻還要高(見圖6)。這個可以全面運作的GaN 5MHz模塊占位面積僅為7mmx9mm,可是在10A負載下能夠達到86.5%的效率。 正如前面提到的,GaNpowIR使功率轉換效率邁向新水平。圖7便顯示GaN與現(xiàn)在的硅解決方案比較下,對12V:1.2V降壓轉換率的改善程度。對單相降壓轉換器來說,圖4展示的GaNpowIR R*Qg改進藍圖代表了在xx年,新技術比典型的硅解決方案在峰值效率方面有超過3%的改善。按預計的改進進程,GaNpowIR將在5年內(nèi)提供94.5%效率,比現(xiàn)存解決方案改善了5%。在企業(yè)電源應用方面,這代表了系統(tǒng)的運作成本可以大幅降低(因為電力耗用和散熱負載減少),同時碳排放也會顯著減少。 同時,GaNpowIR也將為更高電壓下的功率轉換帶來革命。把實際量度的數(shù)據(jù)與預測數(shù)據(jù)相結合進行分析,采用5mm x 6mm封裝、200V額定值的GaN器件,其Rds(on)初期將比硅FET低最多3x,不過持續(xù)的改進應該使其性能在5年內(nèi)有10倍的改善。如圖8所示,這表示到了xx年,采用5mm x 6mm封裝的200V GaN開關,其Rds(on)將低于5m,至于現(xiàn)在有相同限制的硅功率MOSFET,Rds(on)則為50m。 在更高電壓情況下,IR已經(jīng)證明了GaN整流器的反向恢復行為能夠與SiC相比。圖9便顯示GaN及SiC二極管擁有相同的低反向恢復特性(Irr) ,而且兩者都比最先進的600V超高速硅二極管要低很多。因為沒有少數(shù)載流子,所以低反向恢復電流(Irr)變得非常重要。結果就是,GaN具有快速且安靜的開關性能,大大減少或免除了原本的濾波電路需求。因為在GaNpowIR平臺上,硅基片GaN擁有低成本,所以GaN二極管的生產(chǎn)成本可以低于SiC二極管。 4總結 現(xiàn)在基于GaN的功率FET,例如由IR的GaNpowIR平臺所生產(chǎn)的產(chǎn)品,都已經(jīng)擁有比硅解決方案更好的性能,改善程度更遠遠超過預期,情況就跟上世紀80、90年代的硅MOSFET一樣。新技術顯著提高了功率轉換密度、效率及成本效益。I