氮化鎵技術(shù)因其在低功耗、小尺寸等特性設(shè)計(jì)上的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)和成熟規(guī)模化的生產(chǎn)能力，近年來在功率器件市場大受歡迎。在前不久舉辦的EEVIA第五屆ICT技術(shù)趨勢(shì)論壇上，這個(gè)主題受到國內(nèi)媒體的集體“圍觀”。富士通電子元器件高級(jí)市場經(jīng)理蔡振宇（Eric）的“氮化鎵產(chǎn)品主要的應(yīng)用場景和未來的趨勢(shì)”主題分享，將富士通電子旗下代理產(chǎn)品線Transphorm公司獨(dú)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(jié)構(gòu)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，成為該陣營的領(lǐng)頭羊。
富士通電子元器件高級(jí)市場經(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，一個(gè)中國工程師和媒體社群極少聽到的品牌——美國Transphorm公司——以一種“穩(wěn)秘模式”異軍突起，已成為電子能源轉(zhuǎn)換行業(yè)開發(fā)與供應(yīng)GaN解決方案業(yè)務(wù)的國際公認(rèn)領(lǐng)導(dǎo)廠商。據(jù)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(zhàn)略合作伙伴資助等)，Transphorm成為了一家快速成長的公司，尤其是在高壓GaN解決方案方面是國際公認(rèn)的領(lǐng)導(dǎo)者，Transphorm致力實(shí)現(xiàn)高效且緊湊的電源轉(zhuǎn)換。
“事實(shí)上，Transphorm已經(jīng)是GaN技術(shù)的行業(yè)‘老兵’。”Eric指出，“Transphorm創(chuàng)始人與核心工程團(tuán)隊(duì)在電源和GaN半導(dǎo)體方面，有超過20年的直接經(jīng)驗(yàn)和領(lǐng)先地位。”據(jù)悉，自1994年以來，Transphorm的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)率先推出了最早的GaN晶體管的開發(fā)，幾經(jīng)合并后的團(tuán)隊(duì)帶來了卓越的垂直整合經(jīng)驗(yàn)，其中包括GaN材料和器件、制造與測試、可靠性和應(yīng)用工程，以及制造和電力行業(yè)知識(shí)。“這種垂直專業(yè)技術(shù)保證了能夠以最快的速度響應(yīng)客戶的需求，并且確保了重要的知識(shí)產(chǎn)權(quán)地位，同時(shí)還提供符合客戶的要求專用電源解決方案。”Eric表示。
Transphorm公司的GaN專業(yè)知識(shí)和垂直整合使其能夠快速開發(fā)出高性能、可靠并且強(qiáng)勁的產(chǎn)品。Transphorm是重要戰(zhàn)略性知識(shí)產(chǎn)權(quán)的初創(chuàng)者，擁有超過400項(xiàng)國際專利，包括收購富士通的功率GaN設(shè)計(jì)、開發(fā)和知識(shí)產(chǎn)權(quán)資產(chǎn)。Transphorm的專利實(shí)現(xiàn)了成功將GaN商業(yè)化的方方面面，包括材料生長、器件結(jié)構(gòu)、器件制造方法、電路的應(yīng)用、架構(gòu)和封裝等。
結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，HEMT改善的不僅僅是效率
據(jù)Eric介紹，Transphorm HEMT 氮化鎵產(chǎn)品的獨(dú)特性源于其獨(dú)特的產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)。從半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)來看，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(tǒng)的MOS管流動(dòng)不一樣。
HEMT器件獨(dú)特的Cascode結(jié)構(gòu)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)著的，還有一種是上電以后管子是打開的。基本上前面的產(chǎn)品是沒有辦法用的，因?yàn)橐簧想姽茏泳完P(guān)了。“有友商在第一個(gè)管子上面人為地做成Normally off（常關(guān)）。但隨著時(shí)間的推移，原來5伏可以打開，慢慢時(shí)間久了可能6伏才能打開。”Eric指出，“對(duì)這個(gè)問題，Transphorm給出了解決辦法——通過增加一個(gè)低壓MOS管，這個(gè)結(jié)構(gòu)就是前面提到的Cascode結(jié)構(gòu)，用常開的產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)常閉產(chǎn)品一樣的性能。”
據(jù)Eric解釋，此結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)首先是它的閾值非常穩(wěn)定地設(shè)定在2V，即給5伏就可以完全打開，一旦到0V會(huì)完全關(guān)閉。而且這個(gè)結(jié)構(gòu)還帶來另一個(gè)優(yōu)勢(shì)：氮化鎵的驅(qū)動(dòng)和現(xiàn)在的硅基是兼容的，可以無縫地連接到氮化鎵的功率器件上，沒有必要改成新的結(jié)構(gòu)。這為工程師設(shè)計(jì)會(huì)帶來一些便利，GaN橫向結(jié)構(gòu)沒有寄生二極管更小的反向恢復(fù)損耗和器件高可靠性，
GaN是常開器件Vgs為負(fù)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(dǎo)通的問題。
HEMT結(jié)構(gòu)的氮化鎵產(chǎn)品確實(shí)有很多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但到底好到什么程度呢？能不能對(duì)其與主要的競爭產(chǎn)品進(jìn)行特性對(duì)比？Eric給出了一組數(shù)據(jù)——Transphorm找了一個(gè)市場上比較流行的某友商的產(chǎn)品進(jìn)行了關(guān)鍵參數(shù)對(duì)比：該廠商的正向?qū)ㄋ璧臇艠O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(shù)據(jù)的對(duì)比，HEMT GaN技術(shù)特性優(yōu)勢(shì)明顯
創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)讓HEMT GaN功率器件可以在極高的dv / dt（>100 V / NS）條件下進(jìn)行開關(guān)，同時(shí)具有低振鈴和小反向恢復(fù)。清潔和快速過渡大大降低開關(guān)損耗，從而提高了高頻應(yīng)用中的效率，通過使用較小的磁性元件，可實(shí)現(xiàn)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(guī)電路能夠得以實(shí)現(xiàn)。此外，來自這些高性能GaN-on-Si HEMT的同步低導(dǎo)通電阻和低反向恢復(fù)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(shù)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(xiàn)從230Vac到400Vdc電源變換達(dá)到99％的效率。
現(xiàn)場展示的基于HEMT器件的電源模塊方案與業(yè)界競爭解決方案的對(duì)比
在演講現(xiàn)場，富士通電子展示了兩款基于HEMT器件的電源模塊方案。“我們的PFC+LLC電源與類似的競爭方案相比，電路板尺寸可以縮減45%，在滿載和10%的負(fù)載下，我們可以分別提高1.7%和3%的效率。對(duì)于很多效率要求苛刻的應(yīng)用來說，這是一個(gè)非常大的提升。”Eric指出。
嚴(yán)格的JEDEC認(rèn)證保證創(chuàng)新結(jié)構(gòu)安全性
“盡管性能參數(shù)很不錯(cuò)，但作為系統(tǒng)的‘心臟’，電源模塊的設(shè)計(jì)工程師通常還是很謹(jǐn)慎的，到底怎么保證你這個(gè)結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品可靠性呢？”在聽完Eric的介紹后，現(xiàn)場與會(huì)工程師對(duì)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似的顧慮。“這確實(shí)是個(gè)很重要的問題，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JEDEC業(yè)界認(rèn)證的氮化鎵產(chǎn)品。”Eric介紹道。
獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)、更小的電路板尺寸受到與會(huì)者的關(guān)注
據(jù)Eric介紹，要通過這個(gè)認(rèn)證，需要通過一系列的嚴(yán)格測試，比如高、低溫測試、高濕測試。每個(gè)測試項(xiàng)要經(jīng)過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顆芯片完全沒有問題才能通過該認(rèn)證。“可靠性是電源工程師非常重要的指標(biāo)。我們做了那么多實(shí)驗(yàn)都完全沒有問題，所以我們產(chǎn)品的可靠性也獲得了全球客戶的信賴。”Eric對(duì)現(xiàn)場工程師和媒體表示。
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，并通過了ISO 9001：2008認(rèn)證，所有產(chǎn)品均符合JEDEC標(biāo)準(zhǔn) JESD47。作為唯一一家通過JEDEC認(rèn)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，電場和溫度加速測試已經(jīng)證明了在600V（HVOS測試超過1,000伏，150°C）條件下超過1,000萬個(gè)小時(shí)的續(xù)航時(shí)間，以及在200°C的結(jié)溫條件下，超過1,000萬小時(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(jù)基本發(fā)展路線圖進(jìn)行開發(fā)，首先是合格的600 V器件和1000V器件。Transphorm的研究和開發(fā)還在繼續(xù)，現(xiàn)在推出了600V的擴(kuò)展系列，采用更低的R（ON）設(shè)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(jù)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(jù)悉，未來Transphorm還將推出代替Cascode的E-Mode創(chuàng)新結(jié)構(gòu)技術(shù)，將會(huì)把當(dāng)前結(jié)構(gòu)中存在的不利因素解決掉，實(shí)現(xiàn)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。