【应用】Keysight建模软件&ADS仿真软件助力GaN充电器研发和测试,可完美呈现实测数据

2020-02-28 Keysight

近日,小米家的一个GaN充电器引发了热搜,让普通老百姓不明觉厉了一把。雷军说,“实在太方便了!”而紧接着,华为、三星、OPPO、苹果等公司也纷纷表示自己在这项技术上也早有布局,后续会有更多的GaN充电器相继登场。看来这个叫做GaN的技术隐隐有成为网红的潜质。那它到底为什么这么神?怪力(功率大)& 萌妹(体积小)!

而就在小米推出这个GaN神器之前,一月份,我们在网络平台进行了一场精彩纷呈的直播,也是关注了GaN、SiC等功率器件的测试挑战。从市场行情,到设计仿真,再到器件的静动态参数以及板级测试,从测试原理到各种测试小锦囊,我们的专家进行了全面的分享和分析。在分享过程中,专家也一不小心揭秘了为啥这个GaN充电器是个怪力萌妹勒~

直播分享现场,工程师大饱耳福,大呼过瘾。很多困扰已久的问题经专家一解读,竟然鞭辟入里,豁然开朗了。


本文将从器件特性指标分析,GaN充电器为何体型娇小功率却大?文章主要目录如下:

01. 老市场,新玩法

02. 如何提升功率器件的“核心竞争力”

03. GaN MOSFET vs. Si MOSFET关键指标解读(怪力萌妹谜底)

04. 高频高电压的应用,仿真何去何从?

05. 模型是关键,Keysight是如何做到这一点的?


01. 老市场,新玩法

在交通运输、重工业、消费类电子以及电力传输等领域,功率器件已经应用了很多年。但随着对更高效率、更小体积、更低成本等的更高追求,最近几年SiC、GaN等第三代功率半导体器件受到广泛关注。

简单来说,就是火了!相对于Si基MOSFET来说,同等面积/重量的GaN器件在耐压更高的基础上更像是一个欢脱的蜂鸟,开关频率一骑绝尘,非常惊人,而SiC器件就像是非洲大草原的野牛一般,经得住高温考验,也扛得起高压挑战。

目前,GaN器件正逐步取代传统MOSFET的应用市场,如消费电子领域;而SiC器件正一步步蚕食IGBT的应用市场,主要是工业、能源领域。

02. 如何提升功率器件的“核心竞争力”

功率器件在应用过程中,主要应用在开关转换过程中,高效率是其必备的“核心竞争力”。而更高的效率意味着更低的什么呢?对,是损耗!驱动损耗、开关损耗和导通损耗越低,效率就越高!而决定这几种损耗的关键指标就分别是Qg、Coss和Ron。


所以降低损耗的关键是降低这几个指标。

那找到了问题的核心,器件厂商的工程师们就需要通过好的工具在设计过程中尽可能降低它们,而在反馈验证以及产品出来之后精确地测量这些指标看是否满足设计的目标,并将更精准的器件模型给到下游厂商;



而下游的应用工程师们在选型过程中,更需要利用趁手的“兵刃”精准地测试出各种产品的指标【提醒:虽然厂家会给模型参数,但自己测一测才能心中有数,设计出更好的产品】,选择最能满足指标要求的性价比最高的器件,拿到更精确的模型进行后续的设计。


03. GaN MOSFET vs. Si MOSFET关键指标解读(怪力萌妹谜底)

文章开头我们提到了GaN充电器这个怪力萌妹,那这个环节的关键指标解读就为您揭晓谜底。在讲具体的指标之前,我们来了解一下什么是“三明治结构”。大家可能知道,GaN器件都是横向沟道的,这意味着普通的GaN器件都是耗尽型的,即Gate端不施加任何电压的话管子是处于常开的状态的。

那如何控制管子关闭呢?就需要在Gate端施加一个负压,比如-10V来使得管子关闭,这就给电路设计带来非常大的麻烦。

那要改进GaN管子的开关控制一般怎么做呢?有两种方法:

方法一

在GaN的Gate端下面放一个小的P型GaN管子,如下图4。这个P型管子会吸收沟道中的载流子,使得在默认状态下,GaN处于断开的状态。当在Gate端施加一个小电压,比如1V,就能使得GaN从关断切换到导通状态。

这也是目前在低压应用中非常主流的一种实现方式。不过这种GaN器件的导通电压很低,比如处于1V,那Gate端在0V左右的时候容易出现误导通的情况,所以通常厂商也都会建议施加一个负压,如负的2~3V在Gate端。驱动端耐压比较低,也是这种管子主要应用在低压情况的主要原因。

方法二

三明治结构

这种结构的实现是在普通的GaN结构的GS之间并联一个低压的Si基MOSFET,也就是说这种实现方式是在一个封装里包含两个Die,一个Die是一个GaN管子,另一个Die是Si基MOSFET,如下图5。

这种结构下,GaN管子的DS之间依然处于常开的状态。

当在(1)号箭头处向D端输入一个电压,比如400V,那么由于管子处于导通状态,这个电压就会到达(2)号位置的S端。

当(2)和(3)之间的电压达到19V(通常GaN管子的关断电压就是±19V)时,GaN管子就会关断,因此施加在Si基MOSFET管子上的最大电压就是19V。

这也是为什么可以用这样一个低电压的Si基MOSFET来控制整个GaN管子的开关。而且这个Si基MOSFET的耐压很低,其自身的寄生电容、开关时间等都很小,使得这个GaN管子的耐压较高,同时开关频率也可以做到很高。因此,这种三明治结构一般用于实现高耐压下的GaN MOSFET。

聊完了GaN MOSFET的结构,我们来看看GaN MOSFET和Si MOSFET的一些参数差别。

GaN MOSFET和Si MOSFET的一些参数差别



绿色表格中的是GaN管子的导通电阻,下面是Si基MOS管的导通电阻。可能有工程师要有疑问了!不是说GaN管子的导通电阻会更低么?怎么从上面的表格中没有体现这一点,甚至GaN的导通电阻还略高一些?这是怎么回事?

那其实有一个关键点,我们说GaN MOSFET的导通电阻小是跟同等面积下的Si MOSFET来比较的。上面表格中这个GaN MOSFET的晶圆尺寸其实是远远小于Si MOSFET的,但这个指标你去看产品规格书是看不出来的。所以新推出的GaN充电器才能既有更高的效率,又有更小的体积啦。


还有一点需要指出的是


GaN的导通电阻RDSon随着温度增加的变化斜率更加平缓。什么意思?上面的表格中大家看到两个MOSFET 25℃下的导通电阻是50Ω左右,但我们计算的时候是不是就以这个为参考?

当然是不行的。因为在工作条件下,MOSFET的工作温度怎么也得有至少80℃。虽然说规格书中不会给出所有温度下的RDSon,通常只给出25℃和150℃下的典型值,但GaN的RDSon随温度变化更加缓慢,在一般的工作温度下它的RDSon还是会更小一些,即它的耐高温特性更好。GaN的耐热性更好也是GaN充电器体积能做到更小的一个原因哟~


另外一个就是VDS


Si MOSFET有一个雪崩效应,下表中的Si基MOSFET的雪崩电压是600V,也就是说当电压达到600V以上,MOSFET不会立刻坏掉,而是有一个雪崩效应,当能量达到一定值之后,才会毁坏,这就给管子一定的缓冲;而GaN MOSFET是没有雪崩效应的,那这两种MOSFET如何对标呢?GaN MOSFET厂商的做法就是人为地预留一个buffer。


怎么理解?大家看下面表格中的数字——GaN管子VDS的最大值标注是650V,但就小编了解,这款GaN管子的最高耐压可以达到1000V以上。可以看到他的VTDS是800V,标注是脉冲情况下,脉冲时长1us。所以厂商还是预留了相当大的裕量。不过大家不要说知道了这个消息就挑战极限,如果器件坏了,我们是不负责修的哟,基本原厂也不会负责的

第三个就是Qg

可以看到,相比于Si MOSFET,GaN MOSFET的Qg是很有优势的。那只有Qg小了,才能在保证高效率的情况下做到更高的开关频率。为什么?因为开关频率不仅跟载流子流动速度相关,另一个重要的因素就是这个Qg小。Qg小,意味着驱动损耗小,整个开关的频率就可以做到很高。

当然还有一些其他参数,比如Coss,Ciss等。不过对于这些参数来说,GaN MOSFET和Si MOSFET差别不大,小编就不单独拎出来给大家讲了。以上讲的主要是一些随着开关频率上升GaN MOSFET与Si MOSFET相差比较大的地方。这也是为什么GaN器件更适合高频开关应用的原因。

04. 高频高电压的应用,仿真何去何从?

由于GaN、SiC器件主要是应用在一些更高开关频率的环境中,所以在设计线路的时候就需要考量更多的因素,比如寄生电容、杂散、EMI辐射等。所以大家在开始一个新的项目或者应用的时候,不是直接画线路图,然后做Layout,再进行量产。通常我们的做法是:


1)首先进行器件的筛选,决定是采用哪个厂商的GaN或者是采用GaN还是SiC甚至是传统的Si MOSFET。

2)做完器件筛选之后,需要向原厂索要器件建模文件。

3)在拿到建模文件之后,用诸如PSPICE等电路仿真软件进行电路设计仿真。


那这个仿真呢,其实是非常简陋的。它里面基本是理想化的仿真,不包含器件可能会出现的震荡,电磁辐射等等。



举个栗子


比如我们要做一个ACDC(我们今天的主角GaN充电器的电路就是这个作用),从220V转12V电压出来。那这个仿真主要是看这个电压是否能转出来,tolerance有多少等这些简单的东西。

那真正的板子生产出来之后的PEAK电压、干扰情况、是否会出现震荡等等这些器件对板子的影响是无法通过这个仿真得到的。这一方面是因为仿真软件本身比较理想化,另一方面你拿到的器件模型也是理想化的。

也就是说,在这些仿真中,你是使用Si MOSFET还是使用GaN MOSFET,是没有多大区别的。那这个仿真的意义就很小了,一旦出现问题,还需要重新去做Layout,甚至重新进行选型,导致整个研发进度严重delay。

那我们推荐给大家的流程是如下图右侧的流程。那这个流程中,我们在选型或者看器件模型的时候,能直接采用高精度的满足第三代宽禁带半导体需求的模型,把器件的各种寄生参数以及寄生参数会工作条件的影响,比如震荡效应、温度变化的影响、电磁辐射效应都考虑进来,然后进行更全面的仿真。



这个仿真一定是基于Layout的仿真,而不仅仅是基于线路图的仿真。当仿真结果较好,那我们才能有很强的信心说这个产品生产出来之后的问题可能就很少了。


那小编给大家看几张图来给大家一个直观的感受。红色的线代表的是仿真软件的结果,蓝色的线是实测结果。那下面展示的就是传统仿真结果与实测的对比(左侧)以及Keysight仿真软件与实测的结果(右边)。

可以发现,左侧仿真中得到的结果永远是非常完美的开关周期,这里面你看不到震荡、冲击。结果虽美,但怎奈它并不真实。蓝色的实测数据线一下子将你拉回残酷的现实。



右边的图是使用Keysight仿真模型和仿真软件得到的结果。可以看到,仿真结果可以完美呈现实测数据,包括冲击、震荡都与实测数据非常接近。


说明什么?说明这个仿真是真的考虑了众多实际因素的影响。那通过这样的仿真软件,我们的工程师在软件仿真阶段就能充分了解设计的板子的整体性能,可以在前期进行相应的优化,大大提升研发周期。


05. 模型是关键,Keysight是如何做到这一点的?

模型是关键。那Keysight是如何做的?


  • 公式更全面

    下面是我们的建模公式:可以看到我们考虑的因素更多,包括一些非线性的寄生参数也考虑在内


直接导入实测IV曲线

Keysight的建模软件不仅可以用指标建模,还可以直接导入实测结果。Keysight自己研发的设备分析仪B150xA系列和动态参数测试系统PD1500A可以将器件的IV曲线进行全面的测量,包括大电流小电压、小电流大电压、大电流大电压;通过这样的建模,器件本身的损耗可以被充分考量;

  • CV曲线不遗漏

    尤其是器件VDS在关断过程中的Ring/冲击等高频响应的影响。大家知道基本所有的震荡都是因为Coss,Ciss, Crss等寄生电容的影响,那我们的B150xA系列可以测试器件的寄生电容CV曲线。但这个测试有一个限制,就是只能测试5MHz以内的CV。那大家可能要说了,我们的开关频率就只有几百KHz,最大也就1M,5MHz的CV响应是否已经足够了?但其实对于震荡来说,这显然是不够的。虽然开关频率只有几百KHz,但它的谐波频率是分布很广泛的,可以达到100MHz、200MHz甚至更高。因此在仿真建模的时候也要考虑到寄生电容在高频下的分布。所以我们不仅要用B150xA系列测试低频下的寄生电容,还需要用到网络分析仪(这已经超出了电力电子工程师的认知了吧?)来测试器件高频的CV曲线甚至是S参数;同样,这个CV曲线也可以导入到建模软件中进行统一的考虑。


  •  基于Layout的仿真

    有了很好的模型之后,我们可以对器件本身的震荡、电磁兼容特性等进行很好的模拟。但还有一点需要考虑的是应用时我们设计的Layout电路本身的寄生电容等带来的震荡也是很重要的。那Keysight的ADS仿真软件可以基于Layout进行仿真,使得工程师可以在仿真阶段对器件对电路都有更好的了解。


  • 那我们也有很多的客户使用我们的仪表和建模仿真软件进行研发和测试,并在重要的期刊上发表了相应的技术文章。



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本文由惟精惟一转载自Keysight,原文标题为:雷军花式安利的GaN充电器,凭啥成为充电神器?,本站所有转载文章系出于传递更多信息之目的,且明确注明来源,不希望被转载的媒体或个人可与我们联系,我们将立即进行删除处理。

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