Výkonové součástky a nástroje na bázi GaN společnosti ADI pohánějí možnosti návrhů

Polovodiče z nitridu galia (GaN) urazily dlouhou cestu od doby, kdy se na počátku 90. let staly komerčně životaschopnými jako vysoce jasné modré světelné diody („light-emitting diode“, LED) a následně se staly základní technologií pro přehrávače optických disků Blu-ray. Trvalo téměř dvě desetiletí, než se tato technologie stala komerčně životaschopnou pro tranzistory řízené elektrickým polem („field effect transistor“, FET) s vysokou energetickou účinností.

GaN nyní představuje jeden z nejrychleji rostoucích segmentů polovodičového průmyslu s odhady ročního růstu sloučeniny v rozmezí od 25 % do 50 %, který táhne poptávka po zařízeních s vyšší energetickou účinností, aby byly splněny cíle udržitelnosti a elektrifikace.

Tranzistory GaN lze použít k navrhování menších zařízení s vyšší účinností, než mají křemíkové tranzistory. Díky úsporám z rozsahu při výrobě GaN, který byl původně používán pro vysokovýkonné mikrovlnné zesilovače, a díky možnosti vytvářet malé a výkonnější zesilovače se jejich využití rozšířilo a vytvořily trh se zařízeními v hodnotě několika miliard dolarů, který zahrnuje spotřebitelské, průmyslové a vojenské aplikace.

Obecně se předpokládá, že křemíkové tranzistory MOSFET dosáhly svých teoretických limitů pro výkonovou elektroniku, zatímco tranzistory FET na bázi GaN mají stále velký potenciál pro další pokroky ve výkonnosti. Polovodiče GaN nejčastěji používají substráty z karbidu křemíku (SiC), dále z křemíku, který je ekonomičtější, nebo diamantu, který je nejvýkonnější a nejdražší. Zařízení GaN pracují při vyšších teplotách s vyšší pohyblivostí a rychlostí elektronů než zařízení na bázi křemíku a s nízkým nebo nulovým nábojem zpětného zotavení.

Výkonové polovodiče GaN se vyznačují asi pětinásobnou hustotou výkonu oproti polovodičům pro výkonové zesilovače z arsenidu galia (GaAs). S energetickou účinností 80 % nebo více poskytují polovodiče GaN vynikající výkon, šířku pásma a účinnost ve srovnání s alternativami, jako jsou GaAs a metaloxidové polovodiče s boční difúzí („laterally diffused metal-oxide semiconductor“, LDMOS). Tato technologie se nyní využívá v různých aplikacích, od napájecích adaptérů pro rychlé nabíjení po zařízení pro světelnou detekci a měření vzdálenosti („light detection and ranging“, LiDAR) začleněná do pokročilých asistenčních systémů pro řidiče („advanced driver assistance system“, ADAS) v automobilech.

Datová centra představují další rozvíjející se trh pro zařízení založená na GaN, která dokážou splnit rostoucí požadavky na spotřebu energie a chlazení s nižšími náklady a pomáhají také řešit rostoucí ekologické spory, kterým provozovatelé čelí v regulační a politické oblasti.

Výrobci polovodičů a firmy zabývající se průzkumem trhu rovněž předpokládají rostoucí trh pro nízkonapěťové a vysokonapěťové aplikace v elektromobilech, od účinnějších baterií po trakční měniče baterií.

To je oblast, které dosud dominovala zařízení SiC, která jsou stejně jako GaN klasifikována jako polovodiče se širokým zakázaným pásem („wide bandgap“, WBG) a s vysokou mobilitou elektronů, které „umožňují, aby výkonové elektronické součástky byly menší, rychlejší, spolehlivější a účinnější než jejich protějšky na bázi křemíku (Si)“.GaN má zakázaný pás 3,4 eV ve srovnání s 2,2 eV u SiC a 1,12 eV u Si.

Výkonové polovodiče na bázi GaN a SiC pracují na vyšších frekvencích, mají vyšší spínací rychlosti a nižší vodivý odpor než křemík. Zařízení SiC mohou pracovat při vyšším napětí, zatímco zařízení GaN poskytují rychlejší spínání s nižší energií, což konstruktérům umožňuje snížit velikost a hmotnost. SiC může podporovat až 1 200 voltů, zatímco GaN je obecně považován za vhodnější pro maximálně 650 voltů, ačkoli nedávno byla představena zařízení s vyšším napětím.

GaN může poskytnout ve frekvenčním rozsahu asi 10krát větší výkon ve srovnání s GaAs a jinými polovodiči (obrázek 1).

Obrázek 1: Srovnání výkonové elektroniky v mikrovlnném frekvenčním rozsahu. (Zdroj: společnost Analog Devices, Inc.)

Aspekty návrhu

Odhaduje se, že 70 % nebo více elektrické energie spotřebované po celém světě je zpracováváno výkonovou elektronikou. Díky vlastnostem širokého zakázaného pásu sloučeniny GaN mohou konstruktéři vytvářet menší systémy výkonové elektroniky využívající vyšší hustotu výkonu, vynikající účinnost a ultravysoké spínací rychlosti.

Tato technologie umožňuje inovace na mnoha trzích, včetně mimo jiné výkonové elektroniky, automobilového průmyslu, skladování solární energie a datových center. Zařízení GaN jsou vysoce odolná vůči záření, a jsou díky tomu vhodná pro nově vyvíjené vojenské a letecké aplikace.

Někteří konstruktéři elektroniky se možná od výkonových zařízení GaN odklonili kvůli mylným představám o ceně materiálů. Zatímco zpočátku byla výroba substrátu GaN mnohem nákladnější než u křemíku, tento rozdíl se značně zmenšil a použití různých substrátů poskytuje konstruktérům možnost najít nejlepší kompromis mezi cenou a výkonem.

Nejširší tržní potenciál pro konstruktéry s nejlepším kompromisem mezi cenou a výkonem představuje materiál GaN na substrátu SiC („GaN-on-SiC“). Díky možnostem GaN na substrátu Si („GaN-on-Si“) a GaN na diamantu („GaN-on-diamant“) si však konstruktéři produktů mohou vybrat nejvhodnější substrát, který splňuje potřeby jejich organizací a zákazníků v poměru ceny a výkonu.

Vzhledem k velmi vysokým spínacím rychlostem GaN musí konstruktéři věnovat zvláštní pozornost elektromagnetickému rušení („electromagnetic interference“, EMI) a tomu, jak jej lze v uspořádání napájecí smyčky zmírnit. Aktivní hradlové budiče, které jsou nezbytné k zabránění překmitům napětí, mohou EMI ze spínacích průběhů snížit.

Dalším klíčovým konstrukčním problémem je parazitní indukčnost a kapacita, která může mít za následek falešné spouštění. Maximalizace výkonnostních výhod závisí na optimálním uspořádání bočních a vertikálních napájecích smyček a na přizpůsobení rychlosti budiče rychlosti zařízení.

Konstruktéři musí také optimalizovat regulaci tepla, aby zabránili nadměrnému zahřívání, které může výkon a spolehlivost ohrozit. Pouzdro by mělo být hodnoceno z hlediska schopnosti snižovat indukčnost a odvádět teplo.

Výkonové zesilovače GaN dodává společnost Analog Devices

Elektronické systémy vyžadují převod mezi napětím zdroje energie a napětím obvodů, které je třeba napájet. Společnost Analog Devices, Inc. (ADI), dlouhodobý přední dodavatel v oblasti polovodičů, si klade za cíl poskytovat špičkový výkon výkonových zesilovačů GaN v kombinaci s podporou, což konstruktérům umožňuje dosáhnout nejvyšších výkonnostních cílů a rychleji dostat řešení na trh.

K maximalizaci výhod výkonových zařízení GaN jsou nezbytné hradlové budiče a snižovací (nebo buck) regulátory. Polomůstkové budiče GaN zvyšují spínací výkon a celkovou účinnost výkonových systémů. DC-DC snižovací převodníky převádějí vyšší vstupní napětí na nižší výstupní napětí.

Společnost ADI nabízí 100V polomůstkový budič GaN LT8418, který integruje horní a spodní stupeň budiče, logické řízení budiče, ochrany a zaváděcí (bootstrap) spínač (obrázek 2). Zařízení může být nakonfigurováno do synchronních polomůstkových topologií buck nebo boost. Dělené hradlové budiče upravují rychlost zapínání a vypínání tranzistorů FET na bázi GaN pro optimalizaci EMI.

Obrázek 2: Schéma spínacího DC/DC převodníku LT8418 na bázi GaN od společnosti ADI. (Zdroj: společnost Analog Devices, Inc.)

Vstupy a výstupy budiče GaN společnosti ADI mají výchozí nízký stav, aby se zabránilo falešnému zapnutí tranzistorů FET na bázi GaN. Díky rychlému zpoždění šíření 10 ns a přizpůsobení zpoždění 1,5 ns mezi horním a spodním kanálem je zařízení LT8418 vhodné pro vysokofrekvenční DC/DC převodníky, řadiče motorů, audiozesilovače třídy D, napájecí zdroje datových center a širokou škálu výkonových aplikací napříč spotřebitelskými, průmyslovými a automobilovými trhy.

Modely LTC7890 a LTC7891 (obrázek 3) jsou vysoce výkonné, duální a jednoduché snižovací spínací DC/DC regulátory pro řízení N-kanálových synchronních výkonových stupňů tranzistorů FET na bázi GaN od vstupního napětí až 100 V. Tyto regulátory, zaměřené na řešení mnoha problémů, kterým konstruktéři při používání tranzistorů FET na bázi GaN čelí, zjednodušují návrh aplikace tím, že nevyžadují ochranné diody ani jiné další externí součástky, které se obvykle v křemíkových řešeních MOSFET používají.

Obrázek 3: Snižovací regulátor LTC7891 společnosti ADI. (Zdroj: společnost Analog Devices, Inc.)

Oba regulátory poskytují konstruktérům možnost přesně nastavit napětí hradlového budiče od 4 V do 5,5 V, aby se optimalizoval výkon a umožnilo použití různých tranzistorů FET na bázi GaN a tranzistorů MOSFET logické úrovně. Interní chytré zaváděcí (bootstrap) spínače zabraňují přebíjení pinu BOOSTx na pin SWx zdrojů high-side budičů během mrtvé doby, čímž chrání hradlo horního tranzistoru FET na bázi GaN.

Obě součástky interně optimalizují časování hradlového budiče na obou spínacích hranách pro téměř nulové mrtvé doby, čímž se zlepšuje účinnost a umožňuje vysokofrekvenční provoz. Konstruktéři mohou také upravit mrtvé doby pomocí externích rezistorů. Zařízení jsou k dispozici s bočními smáčivými boky v pouzdrech QFN („quad flat no-lead“). Na schématech jsou uvedeny typické aplikační obvody se 40vodičovou konfigurací 6 mm × 6 mm u modelu LTC7890 (obrázek 4) a 28vodičovou konfigurací 4 mm × 5 mm u modelu LTC7891 (obrázek 5).

Obrázek 4: Schéma obvodu typické aplikace se zařízením LTC7890 společnosti ADI. (Zdroj: společnost Analog Devices, Inc.)

Obrázek 5: Schéma snižovacího regulátoru s 28vodičovým modelem LTC7891 společnosti ADI. (Zdroj: společnost Analog Devices, Inc.)

Konstruktéři mohou také využít portfolio nástrojů pro řízení spotřeby energie společnosti ADI k dosažení cílů výkonu napájecího zdroje a optimalizaci desek. Sada nástrojů obsahuje kalkulátor variabilních buck rezistorů, konfigurátor napájení signálového řetězce a vývojové prostředí založené na systému Windows.

Závěr

GaN je transformační polovodičový materiál používaný k výrobě součástek s vysokou hustotou výkonu, ultrarychlými spínacími rychlostmi a vynikající energetickou účinností. Konstruktéři výrobků mohou využít produkty hradlových budičů tranzistorů FET na bázi GaN společnosti ADI k vytvoření spolehlivějších a účinnějších systémů s menším počtem součástek, což má za následek menší systémy s menšími rozměry a hmotností.