返回首页
当前位置: CompoTech China > 热点聚焦 >

TI:制程、封装相助集成,氮化镓伺机而起

时间:2016-07-18 16:40来源:COMPOTECHChina 作者:任苙萍 点击:

照片人物:TI Broad Market Power 副总裁暨总经理 Hagop Kozanian
 
德州仪器 (TI) 在模拟领域倾注相当多的心力,约占总投资六成比重;迄今拥有近 10 万种组合的多元模拟及嵌入式处理产品,被多达 10 万家的一流创新企业采用,对电源管理趋势知之甚详、且往往是产业风向球。TI Broad Market Power 副总裁暨总经理 Hagop Kozanian 以举世瞩目的工业 4.0 为例,指出感测、高精度模拟、处理、通讯、隔离组件与电源管理等关键技术皆围绕一个主旋律行进:可靠度、精确度、安全和节能;而「产品和系统级可靠度」是主要驱动因子,展现于工厂/建筑自动化、马达驱动和控制,以及智能电网应用。

图1:驱动工业4.0的关键技术及应用范畴  数据源:TI
 
功率器件趋向「高整合」与「宽幅操作」
当工程师需要使用超过 10A~15A 的大电流负载点 (POL) 设计时,通常会放弃使用简便的高密度转换器 (搭配整合式 MOSFET 晶体管),转而选择较复杂、占空间的外加 MOSFET 晶体管作为控制器;这是因为高密度转换器只能提供有限电量,根本不足以应付路由器、开关、企业服务器和嵌入式工业系统所需之故。那么,大电流应用的转换器何处寻?TI 主张可用新一代的 MOSFET 晶体管和封装技术解决。TI「NexFET」电源 MOSFET 在硅晶体内有较低的电阻率 (Rds(on)),透过 PowerStack 封装技术堆栈 IC 和 MOSFET 晶体管,可提高电子流动能力。


图2:控制器汇集成电路和 MOSFET 垂直堆栈在 PowerStack 封装中
数据源:TI
 
为此,TI 以「输入电压」与「最大输出电流」为两轴,根据不同应用的核心需求归纳出几大族群,并据以交集出超过 200 种的 DC/DC 解决方案供选择,将电感 (inductor)、场效晶体管 (FET)、功率因子补偿和被动组件集成到单一封装芯片,例如:可多频段操作的 TPS54A20 DC/DC 串联电容降压转换器、加入 40A 大电流 DC/DC SWIFT 的 TPS548D22 DC/DC 降压转换器,以及工业级 LM5165 和车用级 LM5165-Q1 同步 DC/DC 降压型稳压器,可简化原型设计、制造和验证的工程时间,且采用者不需琢磨高深电源知识,可将资源集中在重点研发项目。
 

图3:TI DC/DC功率模块产品组合定位
数据源:TI网站 (ti.com/powermodules)
 
谈到高功率的发展,Kozanian 再度重申整合的必要性,强调将驱动器与 FET 封装在一起,可降低电压应力和 EMI 等寄生效应。TI 认为,24V 虽是工控/自动化生产的主流标准,但某些应用若电压不足将造成不稳定,需外加转换组件以满足高压需求,更促使功率产品朝「高整合」与「宽幅操作」方向靠拢。他并预期,「氮化镓」(GaN) 可望逐渐成为「高功率模块」的首选;未来更将扩及低电压应用,如:高端音讯放大器、无人机、电动车、照明、运算、太阳能板、汽车影像技术,以及任何能接上插座的电器装置。
 
GaN 应用看好,但仍存在技术瓶颈
GaN 是一种由「镓」和「氮」两种元素合成的超高速半导体材料,近年来成为学术界和产业界共同关注和着力研发的热点,硅基 GaN 功率器件更被视作圣杯。与传统硅组件相较,GaN 在物理特性上具有明显优势:
1. 转换效率高:GaN 的禁带宽度是硅的 3 倍、临界击穿电场是硅 10 倍,意谓在同样额定电压下,GaN 的导通电阻约比硅组件低 1,000 倍,大幅降低开关的导通损耗、使功率密度倍增;
2. 工作频率高:GaN 的电子渡越时间比硅低 10倍,电子速度比在硅中高两倍以上、反向恢复时间基本可以忽略,因此 GaN 开关功率器件的工作频率是硅的 20 倍以上!大幅减少电路中电容、电感等储能组件的体积、模块尺寸可缩小 50%,连带减少设备体积和原材料消耗,而开关频率高可减少开关损耗,进一步降低总功耗;
3. 耐受温度高:GaN 的禁带宽度高达 3.4eV,本征电子浓度极低,电子很难被激发,理论上 GaN 可耐受 800℃ 以上的高温。
 
为降低 GaN 组件成本,业界设法从制程寻求变通:透过外延技术在更大尺寸的硅基取得 GaN 外延片。如此便可使用成熟的硅制程和设备大量生产,再将硅基 GaN 与光电组件、数控电路整合,集成直接面向终端应用的功能性模块。GaN-on-Si 晶圆仍有三大技术瓶颈待克服:一是失配问题,硅基与 GaN 之间存在晶格常数、热膨胀系数和晶体结构不匹配;二是极性迥异,由于硅原子间形成的是「纯共价键」,属非极性半导体,而 GaN 原子间却是极性键、属极性半导体;三是硅基上的硅原子扩散,会降低外延层的晶体质量。
 

图4:配备集成驱动器的 600W GaN 功率级开关具有高度可靠性,对于隔离式高压工业电源、电信通讯、企业计算机及再生能源等应用尤其重要
数据源:TI
 
TI 以「增压引擎」来比喻 GaN,只要搭配适合的驱动程序、封装与其他组件,确实能提升服务器和数据中心的系统效能;且可避免电子装置或设备「散热不佳」,拖累系统运作。当连网已成为日常生活的一部分,人们对高耗电的数字装置,以及电力和发电厂的依赖也随之激增;藉由 GaN 改善电路效率,既环保又节能。此外,小自手机,大至高端工业机具和服务器,各种系统的电路皆需切换数百万计的小型开关;每一次动作,都会产生热能、减损供电效率。GaN 可减少生热,让开发者能在更小的电路板空间、纳入更多的开关设计。
 
结语
GaN 未能迅速普及的另一个原因,来自于无法确切掌握 GaN 的应力测试和故障模式,包括电源管理的开关条件,传统硅材料 qual 测试并无法应对。有鉴于此,TI 决意投入整合工作,日前发布首款含 GaN 开关的功率模块—— LMG3410,不仅在功率密度领先最先进的硅基功率因子修正转换器,更优于分立式 GaN 器件,可实现全新开关拓朴,并内建保护功能,可预防过热、短路并因应各种电压条件。Kozanian统整,电源管理有四大要点:
1.能源效率:数据储存须更具成本效益且节能,极低的待机或关机「静态电流」(Quiescent Current)、同步整流、宽电压操作是必要条件,但还须针对工厂或汽车等不同应用进行轻载效率优化;
2.高度整合:为减少物料和制程、在更小的电路板空间实现功能设计,宽幅输入电压的 DC/DC 电源模块可简化设计并符合设计限制;
3.高压作业:考虑工厂中的人员、设备安全,首重电路系统的稳定性,而整合驱动器的氮化锭 (GaN),将是高电压的理想方案;
4.功率密度:电动车的伺服电源供应器和电池必须在更小的尺寸提供更多电力,具高功率密度的 DC/DC 转换器不可或缺。
 

图5:TI 致力推广 GaN             数据源:TI
 
Kozanian 透露,TI 正将 GaN 扩及模拟和数字电源转换控制器,以建立完整的生态系统,包括去年发布的 LMG5200—— 集成 80V GaN FET 和驱动器 IC,以及 TPS53632G GaN FET控制器。特别一提的是,TI 相当看重支持服务,备有 WEBENCH 在线设计工具,支持八种语言,可实现端到端电路设计,针对封装、价格和效率的仿真和优化,并可将电路图和 PCB 布线文件下载到计算机辅助设计 (CAD) 工具;组件库内含 120 家厂商所生产的 40,000 多种产品,TI 经销商每小时会更新价格和供货情况,便于用户比较整个系统设计并决定供应链。

 

(责任编辑:jane)
(0)
0%
------分隔线----------------------------
发表评论
请自觉遵守互联网相关的政策法规,严禁发布色情、暴力、反动的言论。
评价:
表情:
用户名:密码: 验证码:点击我更换图片
推荐内容