Nowe układy wykonane w technologii GaN

Nowe układy wykonane w technologii GaN

Kluczem do świata efektywnego energetycznie jest stosowanie nowych materiałów, takich jak półprzewodniki o szerokiej przerwie energetycznej, pozwalające na uzyskiwanie zwiększonej sprawności, mniejszych rozmiarów urządzeń, niższej wagi lub ogólnego zmniejszenia kosztów, albo wszystkich tych cech jednocześnie. O ile technologia krzemowa jest bardzo dojrzała i niedroga, obecnie coraz bardziej uwagę przykuwają takie materiały, jak azotek galu (GaN), które pozwalają na zwiększenie wydajności obwodów dostarczania mocy.

Technologia krzemowych tranzystorów polowych FET (Field-Effect Transistor) przez dekady stanowiła pierwszy wybór w wielu aplikacjach mocy. Na przestrzeni lat producenci dokonali ogromnego postępu w zmniejszaniu rezystancji przewodzenia, przy jednoczesnym zwiększaniu napięcia przebicia. Dzięki temu moc tracona w elementach była coraz mniejsza a same elementy stawały się bardziej trwale i niezawodne.

Poprzez wprowadzenie innowacyjnych technik produkcyjnych, takich jak stosowanie pionowych struktur, które pozwalają w pełni skorzystać z krzemowej płytki podłożowej, producenci byli w stanie zwiększać dopuszczalne częstotliwości przełączania. To natomiast przyczyniło się do redukcji rozmiarów zasilaczy i ich masy, ze względu na możliwość zastosowania mniejszych komponentów magnetycznych i potrzebnych elementów pasywnych.

Rysunek 1. Tranzystor GAN063-650WSAQ firmy Nexperia jest dostępny w standardowej obudowie TO-247

Jednak cały czas trudno było wyeliminować straty występujące w momencie przełączania, które wynikają z właściwości krzemu, w którym pozbycie się nośników w momencie zamknięcia kanału wymaga czasu. Co więcej, trzeba było też przyjąć kilka kompromisów, a najistotniejszy wynika z powiązania pomiędzy wartością rezystancji przewodzenia a napięciem przebicia.

Nowe materiały

Technologia oparta na krzemie jest dojrzała i niedroga, ale obecnie uwagę specjalistów przykuwają takie materiały, jak azotek galu GaN (Gallium Nitride), który pozwala poprawić parametry obwodów mocy. Kluczową zaletą azotku galu jest szerokość przerwy energetycznej, która wynosi 3,4 eV, a więc kilka razy więcej, niż w przypadku krzemu - 1,1 eV. Cecha ta prowadzi do zwiększenia napięcia przebicia, a co za tym idzie, umożliwia projektowanie mniejszych tranzystorów. Efektem są też mniejsze pojemności bramki i wyjścia, co pomaga zwiększyć częstotliwości przełączania do poziomu megaherców.

Drugą, kluczową cechą azotku galu jest wyższa ruchliwość nośników. Jest ona o niemal 40% wyższa niż w krzemie. Ta zwiększona ruchliwość wnika ze sposobu, w jaki dwuwymiarowy gaz elektronowy układa się na połączeniu materiałów składowych – jest to cecha typowa dla tranzystorów HEMT (High Electron Mobility Transistors) i spotykana także w innych materiałach, takich jak np. arsenek galu GaAs (Gallium Arsenide). Wysoka ruchliwość ułatwia zmniejszenie rezystancji przewodzenia, prowadząc do polepszenia warunków pracy przy dużych prądach.

W porównaniu do układów krzemowych, te zbudowane w oparciu o azotek galu mogą pracować w wyższych temperaturach, które dla krzemu byłyby zbyt wymagające. W efekcie układy GaN można stosować z mniejszymi radiatorami, co tym bardziej zmniejsza całkowite wymiary i masę elektroniki odpowiadającej za dostarczanie lub przetwarzanie dużych mocy.

Jak projektować z układami GaN

O ile same parametry układów GaN stanowią kluczowe zalety w porównaniu do analogicznych układów krzemowych, należy zwrócić uwagę na kilka bardzo istotnych różnic projektowych. Możliwość zastosowania wyższych częstotliwości kluczowania niesie korzyści w odniesieniu do rozmiarów i wydajności urządzeń, jednak tak szybkie zmiany wysokich wartości prądu, wraz z pasożytniczymi indukcyjnościami mogą prowadzić do powstawania niepożądanych skoków napięć na płytce drukowanej. Te natomiast mogą zakłócić pracę bramek i obwodów sterujących elementami, a nawet potencjalnie prowadzić do powstania trwałej oscylacji, którą trzeba powstrzymać aby urządzenie działało bezpiecznie. Projektanci mogą kontrolować te warunki stosując odpowiednie techniki na poziomie płytek PCB, by zminimalizować indukcyjności pasożytnicze i wprowadzić elementy tłumiące, takie jak kondensatory o bardzo niskiej zastępczej rezystancji szeregowej.

Dodatkowo, niektóre z zachowań układów GaN mogą być obce projektantom przyzwyczajonym do pracy z krzemowymi elementami MOSFET. Wiele tranzystorów mocy GaN jest normalnie włączonych, z kanałem zubożonym, podczas gdy krzemowe MOSFET-y są powszechnie dostępne w postaci normalnie wyłączonych z kanałem wzbogaconym. Oznacza to, że konieczne jest zastosowanie pewnych subtelnych zmian w układach sterowania bramkami, np. by można było podawać napięcia dochodzące do ujemnych wartości szyn zasilających, by całkowicie wyłączyć tranzystor GaN FET.

Rysunek 2. Tranzystor mocy IGT60R070D1 z rodziny CoolGaN firmy Infineon

Kolejną kwestią jest poradzenie sobie z krótkimi czasami narastania sygnałów, jakie będą występowały w obwodach, szczególnie po dodatniej stronie zasilania półmostka w przetwornicach mocy, gdzie obwody sterujące bramkami muszą cechować się dobrą odpornością na wspólne skoki napięć.

W czasach, gdy na rynku pojawia się wiele różnych układów, wykonanych w technologii GaN, wiodący producenci komponentów półprzewodnikowych, tacy jak Infineon Technologies, Nexperia i NXP projektują rozwiązania, które pomogą inżynierom pokonać wskazane wyzwania nowej technologii i korzystać z zalet układów GaN w swoich projektach.

Scalone rozwiązania pomagają projektantom

Jednym ze sposobów pokonywania ograniczeń pytki drukowanej, projektowanej pod kątem minimalizacji parametrów pasożytniczych w przypadku zastosowania układów GaN, jest użycie rozwiązań zintegrowanych. Układ GAN063-650WSAQ firmy Nexperia to 650-woltowy tranzystor GaN FET z rezystancją przewodzenia wynoszącą 50 mΩ, normalnie wyłączony, który korzysta z najnowocześniejszych technologii Nexperii w zakresie wysokonapięciowych układów GaN i niskonapięciowych technologii krzemowych MOSFET.

Świetnie sprawdza się w przetwornicach mocy, projektowanych na potrzeby aplikacji przemysłowych, telekomunikacyjnych, inwerterów do fotowoltaiki, napędów silników i obwodów korekcji współczynnika mocy.

Tranzystor GAN063-650WSAQ mieści w sobie struktury wykonane zarówno w technologii GaN i krzemowej MOSFET, oferując liczne korzyści dla projektantów. Podstawową zaletą umieszczenia dwóch rodzajów elementów w jednej obudowie, zamiast montowania ich oddzielnie na płytce drukowanej, jest uzyskanie niezwykle niskich parametrów pasożytniczych w obwodach bramki. Drugą z zalet jest fakt, że tranzystor ten zachowuje się jak normalnie wyłączony, z kanałem wzbogaconym, dzięki czemu można go łatwiej podłączyć do istniejących projektów obwodów sterowania bramką.

W jednej strukturze zawarty jest tranzystor MOSFET, który pracuje z napięciem znamionowym 30 V i steruje tranzystorem mocy o napięciu 650 V. Odpowiednio dobrane podzespoły zapewniają wysoką odporność na skoki napięć w topologiach przełączania takich jak układy totem-pole, chętnie stosowanych w obwodach korekcji współczynnika mocy, ale będzie miała znaczenie, także w obwodach z delikatniejszymi scenariuszami przełączania prądów.

Rysunek 3. Układy scalone EiceDRIVER dostępne są w różnych wariantach i zapewniają optymalne przełączanie tranzystorów GaN

Elastyczność pod kątem niezawodności i wysokich temperatur

Dzięki bogatemu doświadczeniu w zakresie projektowania tranzystorów mocy, firma Infineon sięgnęła po kilka technologii, aby zaoferować rozwiązania dopasowane do poszczególnych rynków. Firma Infineon oferuje obecnie układy krzemowe w postaci zarówno tranzystorów MOSFET, jak i IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), a także układy z azotku galu i węgliku krzemu – materiału bardzo dobrze sprawdzającego się w wysokich temperaturach i wszędzie tam, gdzie nadzwyczajna odporność stanowi wymaganie krytyczne.

Ważną cechę układu IGT60R070D1 i innych komponentów z rodziny CoolGaN, w ramach której dostępne są tranzystory mocy dla napięcia 600 V, stanowi możliwość pracy z kanałem wzbogaconym i łatwiejsza integracja z projektami obwodów, przy jednocześnie dopuszczalnych, bardzo wysokich częstotliwościach przełączania. Układ IGT60R070D1 ma rezystancję przewodzenia na poziomie jedynie 70 mΩ, pojemność bramki wynoszącą 5,8 nC i bardzo dobrą odporność na niepożądane zjawiska występujące w trakcie komutacji.

Aby ułatwić sterowanie większymi napięciami bramek, potrzebnymi w układach GaN, Infineon zaprojektował rodzinę układów scalonych EiceDRIVER. Układy te pozwalają na szybkie przełączanie tranzystorów GaN, takich jak np. IGT60R070D1, co jest możliwe dzięki podwyższonej odporności na skoki napięć w trybie wspólnym. Oferując projektantom większą swobodę rozmieszczenia komponentów na płytce drukowanej, izolowane galwanicznie układy sterujące bramkami EiceDRIVER generują ujemne napięcie bramka-źródło, potrzebne do bezpiecznego utrzymania stanu wyłączenia tranzystora w trakcie szybkiego przełączania i ochrony go przed niepożądanymi sytuacjami, które mogłyby go przypadkiem ponownie włączyć. Wbudowana izolacja galwaniczna oznacza, że układ sterujący bramką może posłużyć do implementacji takich scenariuszy przełączania półmostka, jak architektura totem-pole, stosowana często w układach PFC.

Rysunek 4. Tranzystory mocy RF firmy NXP wykonane w technologii GaN

Umożliwianie bezprzewodowego zasilania

Wysokie częstotliwości przełączania, na jakie pozwalają układy GaN, nadają się do wielu aplikacji związanych z radiowym dostarczaniem zasilania, a w tym do przemysłowego ogrzewania, spawania czy generacji plazmy. Tranzystory mocy RF, wykonane w technologii GaN firmy NXP, a wśród nich układy MRF24G300HS zostały zaprojektowane, aby umożliwić dostarczanie mocy w nielicencjonowanym paśmie radiowym ISM (Industrial, Scientific, Medical) 2400...2450 MHz.

Dla zapewnienia odpowiednich parametrów temperaturowych, tranzystor GaN został wykonany na podłożu z węglika krzemu, dzięki czemu możliwe jest dostarczanie zasilania zarówno w sposób ciągły, jak i impulsowo. W przypadku pracy ciągłej, układ jest w stanie dostarczać do 336 W mocy.

Podsumowanie

Technologia GaN cechuje się istotnymi zaletami w porównaniu do tradycyjnej technologii krzemowych tranzystorów MOSFET i będzie wciąż prowadziła do powstawania nowych aplikacji, redukując rozmiary i zwiększając sprawność zasilaczy. Aby jak najlepiej wykorzystać technologię GaN, inżynierowie mogą sięgnąć po pomoc do globalnych dystrybutorów elektroniki, takich jak Farnell, którzy wspierają projektowanie w szerokim zakresie i są w stanie dostarczyć odpowiednie komponenty, a także zapewnić odpowiednią pomoc i wiedzę, przydatną w kolejnych projektach i podczas wkraczania na nowe rynki.

Fotografia 1. Adrian Cotterill, Senior Global Product Manager pracujący w Farnell
Fotografia 2. Patricio Gomez Bello, Senior Global Product Manager pracujący w Farnell

Autorzy:
Adrian Cotterill, Senior Global Product Manager – Discrete Semiconductor i
Patricio Gomez Bello, Senior Global Product Manager – Power Management, Mixed Signal, pracujący w Farnell

Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik czerwiec 2021

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio czerwiec 2021

Świat Radio

Magazyn krótkofalowców i amatorów CB

Automatyka Podzespoły Aplikacje maj 2021

Automatyka Podzespoły Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna czerwiec 2021

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Elektronika dla Wszystkich czerwiec 2021

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów