Инновационные производственные технологии, такие как вертикальные архитектуры, максимально использующие кремниевую пластину, позволили поставщикам улучшить частоты переключения за счет их увеличения. Это, в свою очередь, позволяет уменьшить размер и вес источника питания за счет использования более компактных магнитных и пассивных компонентов. Однако трудно избежать потерь, возникающих при изменении состояния транзистора, поскольку свойства кремния означают, что требуется время для удаления носителей заряда при выключении канала. Кроме того, в процессе проектирования неизбежно необходимо найти баланс между сопротивлением в открытом состоянии и напряжением пробоя.
Хотя кремниевые технологии могут претендовать на зрелость и экономическую эффективность, сейчас внимание обращается к таким материалам, как нитрид галлия (GaN), для улучшения характеристик схем питания. Ключевым преимуществом GaN является его ширина запрещенной зоны 3,4 эВ, что в несколько раз больше, чем у кремния (1,1 эВ). Это свойство приводит к более высокому напряжению пробоя, что позволяет разработчикам создавать более компактные транзисторы. Это может привести к снижению выходной и затворной емкости, что может улучшить частоты переключения до мегагерцового диапазона.
Вторая ключевая особенность GaN — это более высокая собственная подвижность носителей заряда. Подвижность электронов в GaN почти на 40% выше, чем в кремнии. Эта высокая подвижность обусловлена образованием двумерного электронного газа на границах раздела между компонентами материала — это характерная черта транзисторов с высокой подвижностью электронов (HEMT), которая также встречается в других материалах, таких как арсенид галлия (GaAs). Высокая подвижность также обеспечивает низкое сопротивление в открытом состоянии, что хорошо подходит для работы с высокими токами.
По сравнению с кремнием, устройства на основе GaN могут работать при высоких температурах, что было бы сложно для кремниевых устройств. Это позволяет использовать более компактные радиаторы, что еще больше уменьшает размер и вес силовой электроники.
Вопросы проектирования GaN-устройств:
Хотя характеристики GaN-устройств значительно превосходят аналогичные кремниевые устройства, необходимо учитывать ряд факторов проектирования. Быстрое переключение выгодно с точки зрения размеров и эффективности, однако большие изменения тока и требуемое время, в сочетании с паразитными индуктивностями, могут создавать нежелательные переходные напряжения на печатных платах. Эти переходные процессы могут мешать работе затвора и схемы управления устройством и генерировать устойчивые колебания, которые необходимо подавлять для безопасной работы. Разработчики могут контролировать эти условия, используя методы на уровне платы, которые минимизируют паразитные индуктивности путем применения ослабляющих компонентов, таких как конденсаторы с низким эквивалентным последовательным сопротивлением.
Кроме того, поведение некоторых типов GaN может быть незнакомо разработчикам, привыкшим к проектированию с использованием кремниевых MOSFET-схем. Многие силовые GaN-транзисторы обычно включены в режиме обеднения, тогда как MOSFET-транзисторы обычно выключены и находятся в режиме обогащения. Это требует некоторых незначительных изменений в схеме управления затвором, таких как возможность подачи отрицательных напряжений для полного выключения GaN-транзистора. Ещё одним важным аспектом является обработка крутых спадов выходного сигнала, которые особенно часто встречаются в высоковольтных полумостовых преобразователях мощности. Драйверы затвора должны обеспечивать хорошую устойчивость к синфазным переходным процессам.
Благодаря широкому ассортименту новых GaN-продуктов на рынке, ведущие производители полупроводников, такие как Infineon Technologies, Nexperia и NXP, разрабатывают решения, помогающие инженерам преодолевать сложности, связанные с новой технологией, и внедрять преимущества GaN-технологии в свои разработки.
Интегрированные решения для разработчиков:
Один из способов преодоления ограничений проектирования печатных плат с низким уровнем паразитной индуктивности для технологии GaN — использование интегрированного решения, такого как GAN063-650WSAQ от Nexperia. Этот GaN-полевой транзистор с напряжением 650 В и сопротивлением 50 мОм представляет собой нормально выключенное устройство, сочетающее в себе передовые технологии Nexperia: низковольтные кремниевые MOSFET и высоковольтные GaN.
GAN063-650WSA подходит для преобразователей мощности в промышленных и телекоммуникационных приложениях, фотоэлектрических инверторов, драйверов двигателей и входных каскадов коррекции коэффициента мощности. Он объединяет кремниевые MOSFET и технологии GaN в одном корпусе, предлагая разработчикам множество преимуществ. Основное преимущество объединения различных типов устройств, а не их раздельного монтажа на плате, заключается в низкой паразитной индуктивности в цепи драйвера затвора. Второе преимущество заключается в том, что изделие представлено в виде нормально выключенного устройства в режиме обогащения, которое легко подключается к обычной схеме управления затвором, поскольку кремниевый MOSFET представляет собой устройство на 30 В, управляющее силовым транзистором на 650 В. Наконец, комбинированные устройства гарантируют высокую устойчивость к переходным процессам в силовых топологиях с жестким переключением, таких как конфигурация «тотемный столб», предпочтительная во входных каскадах, предназначенных для коррекции коэффициента мощности, а также в топологиях, использующих более мягкие методы переключения.
Гибкость для надежных высокотемпературных устройств:
Компания Infineon, обладая обширным опытом в разработке силовых транзисторов, использует различные технологии, чтобы предложить оптимальное решение для каждого целевого рынка. В настоящее время Infineon предлагает кремниевые устройства как в архитектуре MOSFET, так и в архитектуре биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT), а также из нитрида галлия (GaN) и карбида кремния (SiC) — материала, подходящего для очень высоких температур, где необходима высокая надежность.
Ключевой особенностью IGT60R070D1 и других устройств семейства 600-вольтовых транзисторов CoolGaN является их работа в режиме обогащения и более простая интеграция в схемотехнические решения, а также преимущества высокоскоростного переключения. IGT60R070D1 обладает сопротивлением в открытом состоянии всего 70 мОм, емкостью затвора 5,8 нКл и более надежными возможностями переключения.
Для облегчения применения более высоких напряжений затвора к устройствам на основе GaN компания Infineon разработала серию интегральных схем EiceDRIVER. Эти драйверы затвора обеспечивают быстрое переключение на GaN-транзисторе, таком как IGT60R070D1, благодаря повышенной устойчивости к синфазным переходным процессам. Помимо предоставления разработчикам гибкости в компоновке устройства на плате, изолированный драйвер затвора EiceDRIVER генерирует отрицательное напряжение затвор-исток, необходимое для обеспечения безопасных состояний выключения во время переходных процессов переключения и защиты силового транзистора от ложных сигналов включения. Интегрированная гальваническая изоляция означает, что микросхемы драйверов затвора могут обеспечить необходимую поддержку для реализации полумостовых и жестких коммутационных приложений, таких как топология «тотем-пол» для коррекции коэффициента мощности.
Возможности ВЧ-питания:
Высокие частоты переключения, достигаемые с помощью GaN, подходят для широкого спектра применений в области ВЧ-питания, включая промышленный нагрев, сварку и термосварку, а также генерацию плазмы. ВЧ-транзисторы NXP на основе GaN, такие как MRF24G300HS, предназначены для ВЧ-питания в нелицензированном диапазоне 2400–2450 МГц (ISM) радиочастотного спектра. Для обеспечения высоких тепловых характеристик GaN-транзистор реализован на подложке из SiC, что позволяет работать в непрерывном или импульсном режиме. В непрерывном режиме устройство может генерировать выходную мощность 336 Вт.
Технология GaN предлагает существенные преимущества по сравнению с традиционной кремниевой технологией MOSFET, что будет способствовать развитию новых приложений по мере создания более компактных и эффективных источников питания. Чтобы максимально использовать возможности технологии GaN, инженеры могут обратиться к глобальным дистрибьюторам электроники, обладающим мощными возможностями поддержки проектирования на заказ, таким как Farnell, чтобы найти подходящее устройство и получить доступ к необходимой экспертизе для разработки своего следующего проекта и, возможно, освоения новых рынков.
Аннотация:
Ключ к следующему решающему шагу на пути к энергоэффективному миру — использование новых материалов, таких как полупроводники с высокой шириной запрещенной зоны, которые обеспечивают большую энергоэффективность, меньшие размеры, меньший вес, более низкую общую стоимость или сочетание всех этих факторов. Хотя кремниевые технологии, возможно, и заявляют о своей зрелости и экономической эффективности, внимание сейчас обращается к таким материалам, как нитрид галлия (GaN), для улучшения характеристик силовых цепей.
Ведущие производители полупроводников, такие как Infineon Technologies, Nexperia и NXP, разрабатывают решения, помогающие инженерам преодолеть сложности, связанные с новой технологией, и внедрить преимущества технологии GaN в свои проекты.
Авторы
