Stosowanie tranzystorów GaN FET w wysokosprawnych, wysokonapięciowych układach zasilania impulsowego
Aby spełnić te wymagania sprawności energetycznej, projektanci systemów zasilania impulsowego muszą odejść od klasycznych tranzystorów MOSFET i IGBT, ponieważ szybko zbliżają się one do swoich limitów.
Tranzystory GaN FET są nazywane tranzystorami o wysokiej ruchliwości elektronów (HEMT). Wysoka ruchliwość elektronów jest funkcją struktury tranzystora polowego (FET) (ilustracja 1).
Ilustracja 1: Przekrój poprzeczny tranzystora GaN FET bazującego na podłożu krzemowym. (Źródło ilustracji: Nexperia)
Ilustracja 2: Niskonapięciowy krzemowy tranzystor MOSFET w konfiguracji kaskodowej z tranzystorem GaN FET z kanałem zubożonym zapewnia wytrzymałość struktury bramki krzemowej z ulepszoną charakterystyką wysokonapięciowego taktowania urządzenia wykorzystującego azotek galu (GaN), a w przypadku tranzystora GaN FET z kanałem zubożonym - także wyłączenia urządzenia złożonego w momencie włączenia zasilania. (Źródło ilustracji: Nexperia)
Ilustracja 3: Schemat półmostkowej przetwornicy podwyższającej, służący do porównywania sprawności tranzystorów MOSFET i GaN FET poprzez wymianę tranzystorów Q1 i Q2 na poszczególne typy urządzeń. (Źródło ilustracji: Nexperia)
Do produkcji tranzystorów GaN FET wykorzystuje się istniejące zakłady produkcyjne krzemowych komplementarnych półprzewodników tlenkowych (CMOS), co zapewnia opłacalność. Warstwa azotku galu powstaje na podłożu krzemowym poprzez osadzanie warstwy zaszczepiającej i warstwy gradientowej azotku galu (GaN) oraz azotku galowo-glinowego (AlGaN) jako warstwy izolacyjnej (nie pokazano na ilustracji) przed utworzeniem się czystej warstwy GaN. Druga warstwa azotku galowo-glinowego (AlGaN) jest nałożona na wierzchu warstwy azotku galu (GaN). Powoduje to polaryzację piezoelektryczną, z nadmiarem elektronów generowanym bezpośrednio poniżej azotku galowo-glinowego (AlGaN), czyli w kanale o wysokiej przewodności. Ten nadmiar elektronów jest znany jako dwuwymiarowy gaz elektronowy (2DEG). Nazwa odzwierciedla bardzo wysoką ruchliwość elektronów w tej warstwie.
Pod bramką tworzy się obszar zubożony. Działanie bramki jest podobne do tranzystora mocy MOSFET z kanałem N ze wzbogaceniem. Dodatnie napięcie przyłożone do bramki tego urządzenia powoduje jego włączenie.
Omawiana struktura jest powtarzana wielokrotnie w celu utworzenia urządzenia mocy. Efektem końcowym jest zasadniczo proste, eleganckie i opłacalne rozwiązanie do przełączania mocy.
Aby uzyskać urządzenie o wyższym napięciu, zwiększa się odległość między drenem a bramką. Ponieważ rezystywność dwuwymiarowego gazu elektronowego (2DEG) w azotku galu (GaN) jest bardzo niska, wpływ na rezystancję poprzez zwiększenie wytrzymałości na napięcie blokujące jest znacznie niższy w porównaniu z urządzeniami krzemowymi.
Tranzystory GaN FET mogą być skonstruowane tak, aby działały w jednej z dwóch konfiguracji: z kanałem wzbogaconym lub z kanałem zubożonym. Tranzystory polowe (FET) z kanałem wzbogaconym są normalnie wyłączone, więc w celu ich włączenia do bramki należy przyłożyć napięcie dodatnie względem drenu/źródła. Tranzystory polowe (FET) z kanałem zubożonym są normalnie włączone, więc w celu ich wyłączenia do bramki należy przyłożyć napięcie ujemne względem drenu/źródła. Tranzystory polowe (FET) z kanałem zubożonym stwarzają problemy w układzie zasilania, ponieważ przed włączeniem zasilania systemu konieczne jest przyłożenie ujemnego napięcia polaryzacji do tranzystora GaN FET z kanałem zubożonym.
Jednym ze sposobów obejścia tego problemu jest użycie połączenia kaskodowego niskonapięciowego krzemowego tranzystora polowego (FET) i tranzystora GaN FET z kanałem zubożonym (ilustracja 2).
Obwód kaskodowy wykorzystuje strukturę bramki krzemowego tranzystora MOSFET, która oferuje zalety wyższych wartości granicznych sterowania bramki dopasowanych do istniejących układów scalonych sterowników bramek MOSFET, a tranzystor GaN FET z kanałem zubożonym jest wyłączony w momencie włączenia zasilania.
Jedną z kluczowych cech tranzystorów GaN FET jest ich wysoka sprawność. Wynika to z niskiej rezystancji szeregowej obniżającej straty przewodzenia, z krótszych czasów przełączania obniżających straty przełączania oraz z niższego ładunku regeneracji wstecznej obniżającego straty regeneracji wstecznej.
Wykorzystując powszechnie znaną topologię półmostkowej przetwornicy podwyższającej, można porównać sprawność tranzystorów GaN FET i krzemowych tranzystorów MOSFET (ilustracja 3).