Stosowanie tranzystorów GaN FET w wysokosprawnych, wysokonapięciowych układach zasilania impulsowego

Sprawność energetyczna jest priorytetem w systemach elektronicznych w obliczu zarówno wymogów społecznych, jak i regulacyjnych. Sprawność konwersji mocy i gęstość mocy mają kluczowe znaczenie dla powodzenia projektów, w szczególności w przypadku zastosowań takich jak pojazdy elektryczne (EV), komunikacja wysokiego napięcia oraz infrastruktura przemysłowa.

Aby spełnić te wymagania, projektanci systemów zasilania impulsowego muszą odejść od klasycznych tlenkowo-metalowych tranzystorów (MOSFET) opartych na krzemie (Si) i tranzystorów bipolarnych z izolowaną bramką (IGBT), ponieważ szybko zbliżają się one do swoich teoretycznych limitów.

Zamiast tego projektanci muszą rozważyć urządzenia oparte na materiałach półprzewodnikowych o szerokiej przerwie energetycznej, takich jak azotek galu (GaN). Urządzenia na bazie azotku galu przełączają się szybciej niż urządzenia oparte na krzemie, radzą sobie z wyższymi poziomami napięcia i mocy, są znacznie mniejsze dla danego poziomu mocy i działają ze znacznie wyższą sprawnością.

W niniejszym artykule omówiono podstawy tranzystorów GaN FET, przedstawiono ich zalety w porównaniu z tradycyjnymi tranzystorami krzemowymi w obwodach zasilania impulsowego, przedstawiono rzeczywiste przykłady firmy Nexperia i przedyskutowano ich zastosowanie.

Podstawy tranzystorów GaN FET

Podstawowymi elementami obwodów konwersji mocy są wysokonapięciowe przełączniki półprzewodnikowe. Projektanci skupili się na poprawie wydajności tych urządzeń poprzez: zmniejszenie strat przewodzenia dzięki zmniejszeniu rezystancji szeregowej w stanie włączenia, zmniejszenie strat przełączania dzięki zwiększeniu prędkości zmiany stanów i zmniejszenie efektów pasożytniczych. Ogólnie rzecz biorąc, te starania projektowe przyniosły sukces w przypadku krzemowych tranzystorów MOSFET i tranzystorów IGBT, ale tempo poprawy spowalnia, gdy działanie tych urządzeń osiąga swoje teoretyczne granice.

W rezultacie w ciągu ostatnich kilku lat wprowadzono urządzenia wykonane z półprzewodników o szerokiej przerwie energetycznej (WBG) wykorzystujące węglik krzemu (SiC) i azotek galu (GaN) w stopniu umożliwiającym produkcję seryjną. Urządzenia te oferują wyższe zakresy napięć roboczych, krótsze czasy przełączania i wyższą sprawność.

Przerwa energetyczna półprzewodnika to minimalna energia, która jest wymagana do wzbudzania elektronów w celu ich oswobodzenia ze stanu związania do stanu swobodnego w celu przewodzenia energii elektrycznej (tabela 1).

Tabela 1: Zestawienie kluczowych właściwości, które odróżniają półprzewodniki o szerokiej przerwie energetycznej, takie jak azotek galu (GaN) i węglik krzemu (SiC) od krzemu (Si). (Źródło tabeli: Art Pini)

Urządzenia wykonane z użyciem półprzewodników o szerokiej przerwie energetycznej mogą pracować przy znacznie wyższych napięciach, częstotliwościach i temperaturach niż urządzenia z konwencjonalnych materiałów półprzewodnikowych, takich jak krzem (Si). Szersza przerwa energetyczna jest szczególnie ważna dla umożliwienia pracy urządzeń w znacznie wyższych temperaturach. Wysoka tolerancja temperaturowa oznacza, że w normalnych warunkach urządzenia te mogą być eksploatowane przy znacznie wyższych poziomach mocy. Półprzewodniki o szerokiej przerwie energetycznej (WBG) o większym krytycznym polu elektrycznym i większej ruchliwości charakteryzują się najniższą rezystancją dren-źródło w stanie włączenia (RDS(ON)), co zmniejsza straty przewodzenia.

Większość materiałów o szerokiej przerwie energetycznej charakteryzuje się również wysokimi prędkościami wolnych elektronów, co pozwala im pracować z większą prędkością przełączania.

W porównaniu z krzemem (Si), który ma przerwę energetyczną 1,12eV, azotek galu (GaN) i węglik krzemu (SiC) są związkami półprzewodnikowymi o przerwach energetycznych około trzy razy większych - odpowiednio 3,4eV i 3,3eV. Oznacza to, że oba materiały mogą obsługiwać wyższe napięcia i wyższe częstotliwości.

Wyższa ruchliwość elektronów w azotku galu (GaN) sprawia, że jest on o wiele bardziej odpowiedni do zastosowań o wysokich parametrach działania i wysokiej częstotliwości. Wyższe prędkości przełączania i wyższe częstotliwości robocze możliwe dzięki tranzystorom GaN FET skutkują lepszą kontrolą sygnału, pasywnymi filtrami o wyższych częstotliwościach odcięcia oraz niższymi prądami tętniącymi. Pozwala to na stosowanie mniejszych cewek indukcyjnych, kondensatorów i transformatorów, co przekłada się na zmniejszenie całkowitej wielkości i ciężaru urządzenia.