富士通電子元器件高級市場經理蔡振宇（Eric）的“氮化鎵產品主要的應用場景和未來的趨勢”主題分享，將富士通電子旗下代理產品線Transphorm公司獨特GaN技術和產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高壓產品讓Transphorm在氮化鎵功率表技術領域劍走偏鋒，成為該陣營的領頭羊。

 

富士通電子元器件高級市場經理蔡振宇（Eric）主題演講中

 

 

最近一年多以來，一個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，已成為電子能源轉換行業(yè)開發(fā)與供應GaN解決方案業(yè)務的國際公認領導廠商。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的領導者，Transphorm致力實現高效且緊湊的電源轉換。

 

“事實上，Transphorm已經是GaN技術的行業(yè)‘老兵’。”Eric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20年的直接經驗和領先地位。”據悉，自1994年以來，Transphorm的團隊已經率先推出了最早的GaN晶體管的開發(fā)，幾經合并后的團隊帶來了卓越的垂直整合經驗，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。“這種垂直專業(yè)技術保證了能夠以最快的速度響應客戶的需求，并且確保了重要的知識產權地位，同時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)知識和垂直整合使其能夠快速開發(fā)出高性能、可靠并且強勁的產品。Transphorm是重要戰(zhàn)略性知識產權的初創(chuàng)者，擁有超過400項國際專利，包括收購富士通的功率GaN設計、開發(fā)和知識產權資產。Transphorm的專利實現了成功將GaN商業(yè)化的方方面面，包括材料生長、器件結構、器件制造方法、電路的應用、架構和封裝等。

 

 

據Eric介紹，Transphorm HEMT 氮化鎵產品的獨特性源于其獨特的產品內部結構。從半導體的結構來看，HEMT 氮化鎵產品跟普通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管流動不一樣。

 

HEMT器件獨特的Cascode結構剖析

 

目前所有的產品在技術和研發(fā)上有兩個方向，一個是上電的管子是關著的，還有一種是上電以后管子是打開的。基本上前面的產品是沒有辦法用的，因為一上電管子就關了。“有友商在第一個管子上面人為地做成Normally off（常關）。但隨著時間的推移，原來5伏可以打開，慢慢時間久了可能6伏才能打開。”Eric指出，“對這個問題，Transphorm給出了解決辦法——通過增加一個低壓MOS管，這個結構就是前面提到的Cascode結構，用常開的產品實現常閉產品一樣的性能。”

 

據Eric解釋，此結構的優(yōu)點首先是它的閾值非常穩(wěn)定地設定在2V，即給5伏就可以完全打開，一旦到0V會完全關閉。而且這個結構還帶來另一個優(yōu)勢：氮化鎵的驅動和現在的硅基是兼容的，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構。這為工程師設計會帶來一些便利，GaN橫向結構沒有寄生二極管更小的反向恢復損耗和器件高可靠性，

GaN是常開器件Vgs為負壓時關斷，實際上Transphorm在GaN上串聯一個30V的Si MOS解決0V關斷5V導通的問題。

 

HEMT結構的氮化鎵產品確實有很多獨特的優(yōu)勢，但到底好到什么程度呢？能不能對其與主要的競爭產品進行特性對比？Eric給出了一組數據——Transphorm找了一個市場上比較流行的某友商的產品進行了關鍵參數對比：該廠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；友商產品的QRR一般是5300，Transphorm是54，只約為其1%。

 

幾個關鍵數據的對比，HEMT GaN技術特性優(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）條件下進行開關，同時具有低振鈴和小反向恢復。清潔和快速過渡大大降低開關損耗，從而提高了高頻應用中的效率，通過使用較小的磁性元件，可實現更高的功率密度。尤其是Transphorm公司600V的GaN功率晶體管的推出，使得之前不切實際的非常規(guī)電路能夠得以實現。此外，來自這些高性能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，可以實現從230Vac到400Vdc電源變換達到99％的效率。

 

現場展示的基于HEMT器件的電源模塊方案與業(yè)界競爭解決方案的對比

 

在演講現場，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說，這是一個非常大的提升。”Eric指出。

 

 

“盡管性能參數很不錯，但作為系統(tǒng)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結構的產品可靠性呢？”在聽完Eric的介紹后，現場與會工程師對HEMT氮化鎵產品的性能產生了極高的關注，但也有部分人提出類似的顧慮。“這確實是個很重要的問題，但工程師可以非常放心選擇HEMT功率解決方案，我們600V的氮化鎵產品是第一個也是目前唯一一個通過JEDEC業(yè)界認證的氮化鎵產品。”Eric介紹道。

 

獨特的性能優(yōu)勢、更小的電路板尺寸受到與會者的關注

 

據Eric介紹，要通過這個認證，需要通過一系列的嚴格測試，比如高、低溫測試、高濕測試。每個測試項要經過77個產品的檢測，放在三個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證。“可靠性是電源工程師非常重要的指標。我們做了那么多實驗都完全沒有問題，所以我們產品的可靠性也獲得了全球客戶的信賴。”Eric對現場工程師和媒體表示。

 

事實上，Transphorm已經實施了美國最先進的質量管理體系，并通過了ISO 9001：2008認證，所有產品均符合JEDEC標準 JESD47。作為唯一一家通過JEDEC認證的氮化鎵產品，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證明了在600V（HVOS測試超過1,000伏，150°C）條件下超過1,000萬個小時的續(xù)航時間，以及在200°C的結溫條件下，超過1,000萬小時的壽命。

 

 

 

Transphorm依據基本發(fā)展路線圖進行開發(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，今年會推出900V和1200V的產品，低壓方面會提供150V的產品。據悉，未來Transphorm還將推出代替Cascode的E-Mode創(chuàng)新結構技術，將會把當前結構中存在的不利因素解決掉，實現更卓越的功率器件性能。將提供更大功率的產品，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。