氮化镓功率技术大热，Transphorm创新HEMT结构“剑走偏锋”高压器件

2016-02-24 14:23:55 n

氮化镓技术因其在低功耗、小尺寸等特性设计上的独特优势和成熟规模化的生产能力，近年来在功率器件市场大受欢迎。在前不久举办的EEVIA第五届ICT技术趋势论坛上，这个主题受到国内媒体的集体“围观”。富士通电子元器件高级市场经理蔡振宇（Eric）的“氮化镓产品主要的应用场景和未来的趋势”主题分享，将富士通电子旗下代理产品线Transphorm公司独特GaN技术和产品方案第一次带到中国媒体面前，采用创新的Cascode结构的HEMT高压产品让Transphorm在氮化镓功率表技术领域剑走偏锋，成为该阵营的领头羊。

富士通电子元器件高级市场经理蔡振宇（Eric）主题演讲中

高压GaN技术的领头羊是如何炼成的？

最近一年多以来，一个中国工程师和媒体社群极少听到的品牌——美国Transphorm公司——以一种“稳秘模式”异军突起，已成为电子能源转换行业开发与供应GaN解决方案业务的国际公认领导厂商。据Eric介绍，基于知名投资公司的资金支持(其中包括富士通、谷歌风投、索罗斯基金管理公司以及量子战略合作伙伴资助等)，Transphorm成为了一家快速成长的公司，尤其是在高压GaN解决方案方面是国际公认的领导者，Transphorm致力实现高效且紧凑的电源转换。

“事实上，Transphorm已经是GaN技术的行业‘老兵’。”Eric指出，“Transphorm创始人与核心工程团队在电源和GaN 半导体方面，有超过20年的直接经验和领先地位。”据悉，自1994年以来，Transphorm的团队已经率先推出了最早的GaN晶体管的开发，几经合并后的团队带来了卓越的垂直整合经验，其中包括GaN材料和器件、制造与测试、可靠性和应用工程，以及制造和电力行业知识。“这种垂直专业技术保证了能够以最快的速度响应客户的需求，并且确保了重要的知识产权地位，同时还提供符合客户的要求专用电源解决方案。”Eric表示。

Transphorm公司的GaN专业知识和垂直整合使其能够快速开发出高性能、可靠并且强劲的产品。Transphorm是重要战略性知识产权的初创者，拥有超过400项国际专利，包括收购富士通的功率GaN设计、开发和知识产权资产。Transphorm的专利实现了成功将GaN商业化的方方面面，包括材料生长、器件结构、器件制造方法、电路的应用、架构和封装等。

结构创新，HEMT改善的不仅仅是效率

据Eric介绍，Transphorm HEMT 氮化镓产品的独特性源于其独特的产品内部结构。从半导体的结构来看，HEMT 氮化镓产品跟普通MOSFET不一样，电流是横向流，它是在硅的衬底上面长出氮化镓，它是S 极垂直往上的，上面是S极流到D极，与传统的MOS管流动不一样。

HEMT器件独特的Cascode结构剖析

目前所有的产品在技术和研发上有两个方向，一个是上电的管子是关着的，还有一种是上电以后管子是打开的。基本上前面的产品是没有办法用的，因为一上电管子就关了。“有友商在第一个管子上面人为地做成Normally off（常关）。但随着时间的推移，原来5伏可以打开，慢慢时间久了可能6伏才能打开。”Eric指出，“对这个问题，Transphorm给出了解决办法——通过增加一个低压MOS管，这个结构就是前面提到的Cascode结构，用常开的产品实现常闭产品一样的性能。”

据Eric解释，此结构的优点首先是它的阈值非常稳定地设定在2V，即给5伏就可以完全打开，一旦到0V会完全关闭。而且这个结构还带来另一个优势：氮化镓的驱动和现在的硅基是兼容的，可以无缝地连接到氮化镓的功率器件上，没有必要改成新的结构。这为工程师设计会带来一些便利，GaN横向结构没有寄生二极管更小的反向恢复损耗和器件高可靠性，

GaN是常开器件Vgs为负压时关断，实际上Transphorm在GaN上串联一个30V的Si MOS解决0V关断5V导通的问题。

HEMT结构的氮化镓产品确实有很多独特的优势，但到底好到什么程度呢？能不能对其与主要的竞争产品进行特性对比？Eric给出了一组数据——Transphorm找了一个市场上比较流行的某友商的产品进行了关键参数对比：该厂商的正向导通所需的栅极电荷是44，而Transphorm是6.2，约七分之一；友商产品的QRR一般是5300，Transphorm是54，只约为其1%。

几个关键数据的对比，HEMT GaN技术特性优势明显

创新的结构设计让HEMT GaN功率器件可以在极高的dv / dt（>100 V / NS）条件下进行开关，同时具有低振铃和小反向恢复。清洁和快速过渡大大降低开关损耗，从而提高了高频应用中的效率，通过使用较小的磁性元件，可实现更高的功率密度。尤其是Transphorm公司600V的GaN功率晶体管的推出，使得之前不切实际的非常规电路能够得以实现。此外，来自这些高性能GaN-on-Si HEMT的同步低导通电阻和低反向恢复电荷，具有低共模EMI的出色特性，这种基于GaN的PFC具有最小数字的快速功率器件，并且为主电流提供最小阻抗的路径，可以实现从230Vac到400Vdc 电源变换达到99％的效率。

现场展示的基于HEMT器件的电源模块方案与业界竞争解决方案的对比

在演讲现场，富士通电子展示了两款基于HEMT器件的电源模块方案。“我们的PFC+LLC 电源与类似的竞争方案相比，电路板尺寸可以缩减45%，在满载和10%的负载下，我们可以分别提高1.7%和3%的效率。对于很多效率要求苛刻的应用来说，这是一个非常大的提升。”Eric指出。

严格的JEDEC认证保证创新结构安全性

“尽管性能参数很不错，但作为系统的‘心脏’，电源模块的设计工程师通常还是很谨慎的，到底怎么保证你这个结构的产品可靠性呢？”在听完Eric的介绍后，现场与会工程师对HEMT氮化镓产品的性能产生了极高的关注，但也有部分人提出类似的顾虑。“这确实是个很重要的问题，但工程师可以非常放心选择HEMT功率解决方案，我们600V的氮化镓产品是第一个也是目前唯一一个通过JEDEC业界认证的氮化镓产品。”Eric介绍道。

独特的性能优势、更小的电路板尺寸受到与会者的关注

据Eric介绍，要通过这个认证，需要通过一系列的严格测试，比如高、低温测试、高湿测试。每个测试项要经过77个产品的检测，放在三个不同的地方做这些不同的测试，而且必须是全部231颗芯片完全没有问题才能通过该认证。“可靠性是电源工程师非常重要的指标。我们做了那么多实验都完全没有问题，所以我们产品的可靠性也获得了全球客户的信赖。”Eric对现场工程师和媒体表示。

事实上，Transphorm已经实施了美国最先进的质量管理体系，并通过了ISO 9001：2008认证，所有产品均符合JEDEC标准 JESD47。作为唯一一家通过JEDEC认证的氮化镓产品，Transphorm展示了高电压GaN功率器件固有的生命周期性能，电场和温度加速测试已经证明了在600V（HVOS 测试超过1,000伏，150°C）条件下超过1,000万个小时的续航时间，以及在200°C的结温条件下，超过1,000万小时的寿命。

兼顾高压与低压，技术创新进行时

Transphorm依据基本发展路线图进行开发，首先是合格的600 V器件和1000V器件。Transphorm的研究和开发还在继续，现在推出了600V的扩展系列，采用更低的R_（ON_）设备和高功率封装（含模块），然后是继150V器件之后的1200 V器件。据Eric透露，今年会推出900V和1200V的产品，低压方面会提供150V的产品。据悉，未来Transphorm还将推出代替Cascode的E-Mode创新结构技术，将会把当前结构中存在的不利因素解决掉，实现更卓越的功率器件性能。将提供更大功率的产品，从2014年推出第一颗TO240，电流从30、40，逐步往60、70、80的方向发展。