氮化鎵功率技術(shù)大熱，Transphorm創(chuàng )新HEMT結構“劍走偏鋒”高壓器件

　　氮化鎵技術(shù)因其在低功耗、小尺寸等特性設計上的獨特優(yōu)勢和成熟規?；纳a(chǎn)能力，近年來(lái)在功率器件市場(chǎng)大受歡迎。在前不久舉辦的EEVIA第五屆ICT技術(shù)趨勢論壇上，這個(gè)主題受到國內媒體的集體“圍觀(guān)”。富士通電子元器件高級市場(chǎng)經(jīng)理蔡振宇(Eric)的“氮化鎵產(chǎn)品主要的應用場(chǎng)景和未來(lái)的趨勢”主題分享，將富士通電子旗下代理產(chǎn)品線(xiàn)Transphorm公司獨特GaN技術(shù)和產(chǎn)品方案第一次帶到中國媒體面前，采用創(chuàng )新的Cascode結構的HEMT高壓產(chǎn)品讓Transphorm在氮化鎵功率表技術(shù)領(lǐng)域劍走偏鋒，成為該陣營(yíng)的領(lǐng)頭羊。

　　富士通電子元器件高級市場(chǎng)經(jīng)理蔡振宇(Eric)主題演講中

　　高壓GaN技術(shù)的領(lǐng)頭羊是如何煉成的?

　　最近一年多以來(lái)，一個(gè)中國工程師和媒體社群極少聽(tīng)到的品牌——美國Transphorm公司——以一種“穩秘模式”異軍突起，已成為電子能源轉換行業(yè)開(kāi)發(fā)與供應GaN解決方案業(yè)務(wù)的國際公認領(lǐng)導廠(chǎng)商。據Eric介紹，基于知名投資公司的資金支持(其中包括富士通、谷歌風(fēng)投、索羅斯基金管理公司以及量子戰略合作伙伴資助等)，Transphorm成為了一家快速成長(cháng)的公司，尤其是在高壓GaN解決方案方面是國際公認的領(lǐng)導者，Transphorm致力實(shí)現高效且緊湊的電源轉換。

　　“事實(shí)上，Transphorm已經(jīng)是GaN技術(shù)的行業(yè)‘老兵’?！盓ric指出，“Transphorm創(chuàng )始人與核心工程團隊在電源和GaN半導體方面，有超過(guò)20年的直接經(jīng)驗和領(lǐng)先地位?！睋?，自1994年以來(lái)，Transphorm的團隊已經(jīng)率先推出了最早的GaN晶體管的開(kāi)發(fā)，幾經(jīng)合并后的團隊帶來(lái)了卓越的垂直整合經(jīng)驗，其中包括GaN材料和器件、制造與測試、可靠性和應用工程，以及制造和電力行業(yè)知識?！斑@種垂直專(zhuān)業(yè)技術(shù)保證了能夠以最快的速度響應客戶(hù)的需求，并且確保了重要的知識產(chǎn)權地位，同時(shí)還提供符合客戶(hù)的要求專(zhuān)用電源解決方案?！盓ric表示。

　　Transphorm公司的GaN專(zhuān)業(yè)知識和垂直整合使其能夠快速開(kāi)發(fā)出高性能、可靠并且強勁的產(chǎn)品。Transphorm是重要戰略性知識產(chǎn)權的初創(chuàng )者，擁有超過(guò)400項國際專(zhuān)利，包括收購富士通的功率GaN設計、開(kāi)發(fā)和知識產(chǎn)權資產(chǎn)。Transphorm的專(zhuān)利實(shí)現了成功將GaN商業(yè)化的方方面面，包括材料生長(cháng)、器件結構、器件制造方法、電路的應用、架構和封裝等。

　　結構創(chuàng )新，HEMT改善的不僅僅是效率

　　據Eric介紹，Transphorm HEMT 氮化鎵產(chǎn)品的獨特性源于其獨特的產(chǎn)品內部結構。從半導體的結構來(lái)看，HEMT 氮化鎵產(chǎn)品跟普通MOSFET不一樣，電流是橫向流，它是在硅的襯底上面長(cháng)出氮化鎵，它是S極垂直往上的，上面是S極流到D極，與傳統的MOS管流動(dòng)不一樣。

　　HEMT器件獨特的Cascode結構剖析

　　目前所有的產(chǎn)品在技術(shù)和研發(fā)上有兩個(gè)方向，一個(gè)是上電的管子是關(guān)著(zhù)的，還有一種是上電以后管子是打開(kāi)的?；旧锨懊娴漠a(chǎn)品是沒(méi)有辦法用的，因為一上電管子就關(guān)了?！坝杏焉淘诘谝粋€(gè)管子上面人為地做成Normally off(常關(guān))。但隨著(zhù)時(shí)間的推移，原來(lái)5伏可以打開(kāi)，慢慢時(shí)間久了可能6伏才能打開(kāi)?！盓ric指出，“對這個(gè)問(wèn)題，Transphorm給出了解決辦法——通過(guò)增加一個(gè)低壓MOS管，這個(gè)結構就是前面提到的Cascode結構，用常開(kāi)的產(chǎn)品實(shí)現常閉產(chǎn)品一樣的性能?！?/p>

　　據Eric解釋?zhuān)私Y構的優(yōu)點(diǎn)首先是它的閾值非常穩定地設定在2V，即給5伏就可以完全打開(kāi)，一旦到0V會(huì )完全關(guān)閉。而且這個(gè)結構還帶來(lái)另一個(gè)優(yōu)勢：氮化鎵的驅動(dòng)和現在的硅基是兼容的，可以無(wú)縫地連接到氮化鎵的功率器件上，沒(méi)有必要改成新的結構。這為工程師設計會(huì )帶來(lái)一些便利，GaN橫向結構沒(méi)有寄生二極管更小的反向恢復損耗和器件高可靠性，

　　GaN是常開(kāi)器件Vgs為負壓時(shí)關(guān)斷，實(shí)際上Transphorm在GaN上串聯(lián)一個(gè)30V的Si MOS解決0V關(guān)斷5V導通的問(wèn)題。

　　HEMT結構的氮化鎵產(chǎn)品確實(shí)有很多獨特的優(yōu)勢，但到底好到什么程度呢?能不能對其與主要的競爭產(chǎn)品進(jìn)行特性對比?Eric給出了一組數據——Transphorm找了一個(gè)市場(chǎng)上比較流行的某友商的產(chǎn)品進(jìn)行了關(guān)鍵參數對比：該廠(chǎng)商的正向導通所需的柵極電荷是44，而Transphorm是6.2，約七分之一;友商產(chǎn)品的QRR一般是5300，Transphorm是54，只約為其1%。

　　幾個(gè)關(guān)鍵數據的對比，HEMT GaN技術(shù)特性?xún)?yōu)勢明顯

　　創(chuàng )新的結構設計讓HEMT GaN功率器件可以在極高的dv / dt(>100 V / NS)條件下進(jìn)行開(kāi)關(guān)，同時(shí)具有低振鈴和小反向恢復。清潔和快速過(guò)渡大大降低開(kāi)關(guān)損耗，從而提高了高頻應用中的效率，通過(guò)使用較小的磁性元件，可實(shí)現更高的功率密度。尤其是Transphorm公司600V的GaN功率晶體管的推出，使得之前不切實(shí)際的非常規電路能夠得以實(shí)現。此外，來(lái)自這些高性能GaN-on-Si HEMT的同步低導通電阻和低反向恢復電荷，具有低共模EMI的出色特性，這種基于GaN的PFC具有最小數字的快速功率器件，并且為主電流提供最小阻抗的路徑，可以實(shí)現從230Vac到400Vdc電源變換達到99%的效率。

　　現場(chǎng)展示的基于HEMT器件的電源模塊方案與業(yè)界競爭解決方案的對比

　　在演講現場(chǎng)，富士通電子展示了兩款基于HEMT器件的電源模塊方案?！拔覀兊腜FC+LLC電源與類(lèi)似的競爭方案相比，電路板尺寸可以縮減45%，在滿(mǎn)載和10%的負載下，我們可以分別提高1.7%和3%的效率。對于很多效率要求苛刻的應用來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)非常大的提升?！盓ric指出。

　　嚴格的JEDEC認證保證創(chuàng )新結構安全性

　　“盡管性能參數很不錯，但作為系統的‘心臟’，電源模塊的設計工程師通常還是很謹慎的，到底怎么保證你這個(gè)結構的產(chǎn)品可靠性呢?”在聽(tīng)完Eric的介紹后，現場(chǎng)與會(huì )工程師對HEMT氮化鎵產(chǎn)品的性能產(chǎn)生了極高的關(guān)注，但也有部分人提出類(lèi)似的顧慮?！斑@確實(shí)是個(gè)很重要的問(wèn)題，但工程師可以非常放心選擇HEMT功率解決方案，我們600V的氮化鎵產(chǎn)品是第一個(gè)也是目前唯一一個(gè)通過(guò)JEDEC業(yè)界認證的氮化鎵產(chǎn)品?！盓ric介紹道。

　　獨特的性能優(yōu)勢、更小的電路板尺寸受到與會(huì )者的關(guān)注

　　據Eric介紹，要通過(guò)這個(gè)認證，需要通過(guò)一系列的嚴格測試，比如高、低溫測試、高濕測試。每個(gè)測試項要經(jīng)過(guò)77個(gè)產(chǎn)品的檢測，放在三個(gè)不同的地方做這些不同的測試，而且必須是全部231顆芯片完全沒(méi)有問(wèn)題才能通過(guò)該認證?！翱煽啃允请娫垂こ處煼浅Ｖ匾闹笜?。我們做了那么多實(shí)驗都完全沒(méi)有問(wèn)題，所以我們產(chǎn)品的可靠性也獲得了全球客戶(hù)的信賴(lài)?！盓ric對現場(chǎng)工程師和媒體表示。

　　事實(shí)上，Transphorm已經(jīng)實(shí)施了美國最先進(jìn)的質(zhì)量管理體系，并通過(guò)了ISO 9001：2008認證，所有產(chǎn)品均符合JEDEC標準 JESD47。作為唯一一家通過(guò)JEDEC認證的氮化鎵產(chǎn)品，Transphorm展示了高電壓GaN功率器件固有的生命周期性能，電場(chǎng)和溫度加速測試已經(jīng)證明了在600V(HVOS測試超過(guò)1,000伏，150°C)條件下超過(guò)1,000萬(wàn)個(gè)小時(shí)的續航時(shí)間，以及在200°C的結溫條件下，超過(guò)1,000萬(wàn)小時(shí)的壽命。

　　兼顧高壓與低壓，技術(shù)創(chuàng )新進(jìn)行時(shí)

　　Transphorm依據基本發(fā)展路線(xiàn)圖進(jìn)行開(kāi)發(fā)，首先是合格的600 V器件和1000V器件。Transphorm的研究和開(kāi)發(fā)還在繼續，現在推出了600V的擴展系列，采用更低的R(ON)設備和高功率封裝(含模塊)，然后是繼150V器件之后的1200 V器件。據Eric透露，今年會(huì )推出900V和1200V的產(chǎn)品，低壓方面會(huì )提供150V的產(chǎn)品。據悉，未來(lái)Transphorm還將推出代替Cascode的E-Mode創(chuàng )新結構技術(shù)，將會(huì )把當前結構中存在的不利因素解決掉，實(shí)現更卓越的功率器件性能。將提供更大功率的產(chǎn)品，從2014年推出第一顆TO240，電流從30、40，逐步往60、70、80的方向發(fā)展。