Proč a jak používat tranzistory řízené elektrickým polem na bázi GaN pro efektivní spínané výkonové aplikace s vyšším napětím

Vzhledem ke společenským i regulačním požadavkům je prioritou elektronických systémů energetická účinnost. Zejména pro aplikace sahající od elektrických vozidel („electric vehicles“, EV) po vysokonapěťovou komunikaci a průmyslovou infrastrukturu jsou pro úspěch návrhu rozhodující účinnost přeměny energie a hustota výkonu.

K tomu, aby konstruktéři spínaných výkonových systémů tyto požadavky splnili, musí přejít od používání klasických metaloxidových tranzistorů řízených elektrickým polem („metal oxide field effect transistors“, MOSFET) a bipolárních tranzistorů s izolovaným hradlem („insulated gate bipolar transistor“, IGBT) na bázi křemíku (Si), protože se rychle blíží svým teoretickým limitům.

Místo toho musí konstruktéři zvažovat zařízení založená na materiálech se širokým zakázaným pásem („wide-bandgap“, WBG), jako je nitrid galia (GaN). Zařízení GaN se spínají rychleji než zařízení Si, zvládají vyšší úrovně napětí a výkonu, jsou mnohem menší pro danou úroveň výkonu a pracují s mnohem vyšší účinností.

V tomto článku jsou prozkoumány základy tranzistorů GaN FET, ukázány jejich výhody oproti tradičním zařízením Si ve spínaných výkonových obvodech, dále jsou zde představeny příklady z reálného světa od společnosti Nexperia a probrána jejich aplikace.

Základy tranzistorů GaN FET

Základními prvky v obvodech přeměny energie jsou vysokonapěťové polovodičové spínače. Konstruktéři se zaměřují na zlepšení výkonu těchto zařízení snížením ztrát vedení díky redukci sériového odporu v zapnutém stavu, snížením spínacích ztrát díky zvýšení rychlosti přechodu a snížením parazitních efektů. Tyto konstrukční snahy byly obecně úspěšné u křemíkových tranzistorů MOSFET a IGBT, ale rychlost zlepšování se zpomalovala, protože provoz těchto zařízení dosáhl svých teoretických limitů.

Výsledkem je, že v posledních několika letech byla představena zařízení WBG využívající karbid křemíku (SiC) a GaN a rozšířila se do té míry, že dosáhla sériové výroby. Tato zařízení nabízejí vyšší rozsahy provozního napětí, rychlejší spínací časy a vyšší účinnost.

Zakázaný pás polovodiče je minimální energie, která je potřebná k excitaci elektronů, aby se uvolnily ze svého vázaného stavu do volného stavu pro vedení elektřiny (tabulka 1).

Tabulka 1: Souhrn klíčových vlastností, které odlišují polovodiče se širokým zakázaným pásem, jako je GaN a SiC, od Si. (Zdroj tabulky: Art Pini)

Zařízení vyrobená s polovodiči se širokým zakázaným pásem mohou pracovat při mnohem vyšších napětích, frekvencích a teplotách než běžné polovodičové materiály, jako je Si. Širší zakázaný pás je zvláště důležitý k umožnění provozu zařízení při mnohem vyšších teplotách. Vysoká teplotní tolerance znamená, že za normálních podmínek mohou být tato zařízení provozována při mnohem vyšších úrovních výkonu. Polovodiče WBG s vyšším kritickým elektrickým polem a vyšší pohyblivostí mají nejnižší odpor v zapnutém stavu zdroje-odtoku („drain-source“) (R_DS(ON)), což snižuje ztráty vedení.

Většina materiálů se širokým zakázaným pásem má také vysoké rychlosti volných elektronů, což jim umožňuje pracovat při vyšších rychlostech spínání.

GaN a SiC jsou ve srovnání s Si, který má zakázaný pás 1,12 elektronvoltů (eV), polovodiče ze sloučenin se zakázanými pásy, které jsou přibližně třikrát vyšší při 3,4 eV, resp. 3,3 eV. To znamená, že oba materiály mohou podporovat vyšší napětí a vyšší frekvence.

Díky vyšší pohyblivosti elektronů je pro vysokofrekvenční aplikace s vysokým výkonem mnohem vhodnější GaN. Vyšší rychlosti spínání a vyšší provozní frekvence, které umožňují výkonové tranzistory GaN FET, vedou k lepšímu řízení signálu, konstrukcím pasivních filtrů s vyššími mezními frekvencemi a nižšími zvlněnými proudy. To umožňuje použití menších induktorů, kondenzátorů a transformátorů, což vede ke snížení celkové velikosti a hmotnosti.

Tranzistory GaN FET se nazývají tranzistory s vysokou pohyblivostí elektronů („high electron mobility transistors“, HEMT). Vysoká mobilita elektronů je funkcí struktury tranzistoru FET (obrázek 1).

Obrázek 1: Řez tranzistorem GaN FET na bázi substrátu Si. (Zdroj obrázku: společnost Nexperia)

Tranzistory GaN FET využívají stávající výrobní zařízení křemíkových CMOS, díky čemuž jsou nákladově efektivní. Vrstva GaN se vytvoří na substrátu Si nanesením zárodečné vrstvy a odstupňované vrstvy GaN a nitridu hliníku a galia (AlGaN) jako izolační vrstvy (ve schématu není znázorněno). Až poté vyroste čistá vrstva GaN. Na vrstvu GaN se nanese druhá vrstva AlGaN. Tím se nastaví piezoelektrická polarizace, přičemž přebytek elektronů se generuje bezprostředně pod AlGaN, což je vysoce vodivý kanál. Tento přebytek elektronů je znám jako dvourozměrný elektronový plyn („two-dimensional electron gas“, 2DEG). Název odráží velmi vysokou pohyblivost elektronů v této vrstvě.

Pod hradlem se tvoří ochuzovaná oblast. Činnost hradla je podobná N-kanálovému výkonovému křemíkovému tranzistoru MOSFET v režimu obohacování. Kladné napětí přivedené na hradlo tohoto zařízení jej zapne.

Tato struktura se několikrát opakuje, a tím vzniká výkonové zařízení. Konečným výsledkem je v zásadě jednoduché, elegantní a cenově výhodné řešení výkonového spínání.

K získání zařízení s vyšším napětím se vzdálenost mezi odtokem a hradlem zvětší. Vzhledem k tomu, že rezistivita GaN 2DEG je velmi nízká, vliv na odpor zvýšením schopnosti blokovacího napětí je mnohem nižší ve srovnání s křemíkovými zařízeními.

Tranzistory GaN FET mohou být konstruovány tak, aby fungovaly v jedné ze dvou konfigurací, v režimu obohacování, nebo v režimu ochuzování. Tranzistory FET v režimu obohacování jsou normálně vypnuté, takže k zapnutí tranzistoru FET musí být na hradlo přivedeno kladné napětí vzhledem k odtoku/zdroji. Tranzistory FET v režimu ochuzování jsou normálně zapnuté, takže k vypnutí tranzistoru FET musí být na hradlo přivedeno záporné napětí vzhledem k odtoku/zdroji. Tranzistory FET v režimu ochuzování jsou ve výkonovém systému problematické, protože na tranzistor FET v režimu ochuzování GaN musí být před zapnutím systému aplikováno negativní předpětí.

Jedním ze způsobů, jak se tomuto problému vyhnout, je zkombinovat nízkonapěťový křemíkový tranzistor FET s tranzistorem GaN FET v režimu ochuzování v konfiguraci kaskádového obvodu (obrázek 2).

Obrázek 2: Nízkonapěťový křemíkový tranzistor MOSFET v kaskádové konfiguraci s tranzistorem GaN FET v režimu ochuzování má za následek robustnost struktury hradla Si s lepšími charakteristikami vysokonapěťového taktování zařízení GaN a také – v případě tranzistoru GaN FET v režimu ochuzování – vypnutí složeného zařízení při zapnutí. (Zdroj obrázku: společnost Nexperia)

Kaskádový obvod využívá strukturu hradla tranzistoru Si MOSFET, která má výhody vyšších limitů řízení hradla v porovnání se stávajícími integrovanými obvody hradlového budiče tranzistoru MOSFET, a vypnutí tranzistoru GaN FET v režimu ochuzování při zapnutí.

Jednou z klíčových vlastností tranzistorů GaN FET je jejich vysoká účinnost. Ta je způsobena: nízkým sériovým odporem, který snižuje ztráty vedení, rychlejšími spínacími časy, což snižuje spínací ztráty, a nižším nábojem zpětného zotavení, což odpovídá jejich nízkým ztrátám při zpětném zotavení.

Použitím běžné topologie polomůstkového zvyšujícího měniče je možné porovnat účinnosti tranzistorů GaN FET a Si MOSFET (obrázek 3).

Obrázek 3: Schéma polomůstkového zvyšujícího měniče použitého k porovnání účinností tranzistorů MOSFET a GaN FET výměnou tranzistorů Q1 a Q2 za jednotlivé typy. (Zdroj obrázku: společnost Nexperia)

Zesilovací měnič má vstupní napětí 240 voltů, výstupní napětí je 400 voltů a spínací frekvence je 100 kHz. Účinnosti a ztráty jsou porovnány v rozsahu výkonu až 3 500 wattů (obrázek 4).

Obrázek 4: Porovnání účinnosti a výkonových ztrát mezi tranzistory GaN FET a MOSFET v identickém obvodu, ukazující výhody tranzistorů GaN FET. (Zdroj obrázku: společnost Nexperia)

Tranzistory GaN FET mají o 20 % vyšší účinnost ve srovnání s tranzistory MOSFET a výkonová ztráta je asi třikrát nižší. Při 2 000 wattech je ztráta v tranzistorech MOSFET asi 62 wattů, u tranzistorů GaN FET je to pouze 19 wattů. To znamená, že chladicí systém může být menší, čímž se zlepší objemová účinnost zesilovacího měniče.

Méně zřejmé je, že měření bylo u tranzistoru GaN FET provedeno při téměř 3 500 wattech kvůli jeho vyššímu limitu maximálního napětí. Jako takový má tranzistor GaN FET jednoznačnou výhodu.

Začínáme s GaN kvůli vyšším napětím

Pro aplikace s vyšším napětím nabízí společnost Nexperia dva 650voltové tranzistory GaN FET – GAN063-650WSAQ a GAN041-650WSBQ. Oba modely jsou N-kanálovými tranzistory FET, které jsou normálně vypnuté. Zařízení GAN063-650WSAQ je dimenzováno tak, aby zvládlo maximální napětí mezi odtokem a zdrojem 650 voltů a dokázalo udržet přechod (s šířkou impulzu menší než mikrosekunda) 800 voltů. Je dimenzováno na odtokový proud 34,5 A a výkonovou ztrátu 143 wattů při 25 °C. Odpor v zapnutém stavu mezi odtokem a zdrojem je obvykle 50 mΩ s maximálním limitem 60 mΩ.

Zařízení GAN041-650WSBQ má stejné maximální jmenovité napětí mezi odtokem a zdrojem 650 V se stejným limitem přechodu 800 V. Liší se tím, že zvládne maximální odtokový proud 47,2 A a maximální výkonovou ztrátu 187 wattů při pokojové teplotě. Jeho typický odpor kanálu je 35 mΩ s maximem 41 mΩ.

Referenční návrh společnosti Nexperia využívající zařízení GAN063-650WSAQ v polomůstkové konfiguraci je znázorněn na obrázku 5.

Obrázek 5: Doporučený návrh pro polomůstkový výkonový stupeň využívající tranzistor GaN FET GAN063-650WSA. Schéma ukazuje pouze řadič a polomůstkový výstupní stupeň tranzistoru FET a související součástky. (Zdroj obrázku: společnost Nexperia)

Na schématu je uveden duální izolovaný hradlový budič Si8230 s vysokým/nízkým napětím, který se používá k pohonu hradel tranzistorů GaN FET. Výstup hradlového budiče je připojen k hradlu přes 30Ω hradlový rezistor, který je vyžadován pro všechna zařízení GaN. Hradlový rezistor řídí dobu nabíjení kapacity hradla a ovlivňuje dynamický spínací výkon. RC sítě mezi odtokem a zdrojem tranzistorů FET pomáhají také při řízení spínacího výkonu. Úrovně hradlového budiče pro tranzistory GaN FET jsou mezi 0 a 10 až 12 volty.

Vysoká rychlost spínání tranzistorů GaN FET (typicky v rozsahu 10 až 11 ns) vyžaduje pečlivé uspořádání, aby se minimalizovala parazitní indukčnost, a použití RC tlumičů ke tlumení kmitání kvůli napěťovým a proudovým přechodům. Mezi vysokonapěťovým zdrojem a zemí je v konstrukci více RC tlumičů (R17 až 19 a C33 až 35). Tlumiče snižují kmitání způsobené interakcí tranzistoru GaN FET a obtokové sítě. Tlumiče by měly být připojeny co nejblíže k odtoku high-side tranzistoru FET. Jsou implementovány s rezistory s povrchovou montáží a keramickými kondenzátory s nízkým efektivním sériovým odporem („effective series resistance“, ESR), aby se minimalizovala indukčnost vedení.

Komponentní síť tvořená R₄, D₁, C₁₂ a C₁₃ je napájecí zdroj bootstrap pro hradlový budič high-side. D₁ by měla být rychlá dioda s nízkou kapacitou, protože její přechodová kapacita přispívá ke ztrátě spínání. R₄ omezuje náběhový nabíjecí proud. Dobře funguje hodnota v rozsahu 10 až 15 Ω.

Závěr

Potřeba vyšší účinnosti přeměny energie a hustoty výkonu od elektromobilů po komunikační a průmyslovou infrastrukturu vyžaduje odklon od klasických křemíkových struktur. Jak je ukázáno, tranzistory GaN FET nabízejí pokrok pro návrhy nové generace tím, že nabízejí vyšší provozní napětí, rychlejší spínací časy a vyšší účinnost. Běžné součástky, podporované v některých případech referenčními návrhy, pomáhají konstruktérům uvést projekty rychle do provozu.