Narzędzia i komponenty mocy GaN firmy ADI zwiększają możliwości projektowania

Azotek galu (GaN) odpowiada obecnie za jeden z najszybciej rozwijających się segmentów branży półprzewodników, a jego całkowity roczny wzrost szacuje się na 25% do 50%. Jest on stymulowany popytem na urządzenia o większej sprawności energetycznej, wynikającym z potrzeby zrealizowania celów w zakresie zrównoważonego rozwoju i elektryfikacji.

Tranzystory GaN mogą być używane do projektowania mniejszych urządzeń o wyższej sprawności niż tranzystory krzemowe. Początkowo były wykorzystywane w układach wzmacniaczy mikrofalowych dużej mocy, jednak ekonomia skali produkcji azotku galu (GaN) i możliwość tworzenia małych wzmacniaczy o większej mocy rozszerzyły ich zastosowania, tworząc rynek urządzeń o wartości wielu miliardów dolarów, obejmujący zastosowania konsumenckie, przemysłowe i wojskowe.

Powszechnie uważa się, że możliwości tranzystorów MOSFET w zastosowaniach energoelektronicznych osiągnęły już swoje teoretyczne granice, podczas gdy tranzystory GaN FET nadal mają ogromny potencjał w zakresie dalszych udoskonaleń parametrów działania. W półprzewodnikach opartych na azotku galu (GaN) najczęściej wykorzystuje się podłoża węglikowo-krzemowe (SiC), a w dalszej kolejności krzem, który jest bardziej ekonomiczny, lub diament, który jest najdroższy, lecz charakteryzuje się najlepszymi parametrami. Urządzenia oparte na azotku galu (GaN) działają w wyższych temperaturach, przy większej ruchliwości i prędkości elektronów niż urządzenia na bazie krzemu, a także przy niskim lub zerowym ładunku regeneracyjnym.

Półprzewodniki mocy oparte na azotku galu (GaN) charakteryzują się około pięciokrotnie większą gęstością mocy od półprzewodników wzmacniaczy mocy z arsenku galu (GaAs). Przy sprawności energetycznej co najmniej 80%, półprzewodniki azotkowo-galowe (GaN) zapewniają lepszą moc, szerokość pasma i sprawność w porównaniu z alternatywnymi rozwiązaniami, takimi jak arsenek galu (GaAs) i półprzewodniki tlenkowe o dyfuzji poprzecznej (LDMOS). Technologia ta jest obecnie wykorzystywana w różnorodnych zastosowaniach, od zasilaczy szybkiego ładowania po urządzenia do wykrywania i pomiaru odległości (LiDAR), stanowiące część zaawansowanych systemów wspomagania kierowcy (ADAS) w samochodach.

Ośrodki przetwarzania danych to kolejny wschodzący rynek dla urządzeń opartych na azotku galu (GaN), które są w stanie sprostać rosnącemu poborowi mocy i wymaganiom w zakresie chłodzenia przy niższych kosztach, a także pomagają w rozwiązywaniu narastających sporów środowiskowych, z którymi borykają się operatorzy na arenie regulacyjnej i politycznej.

Producenci półprzewodników i firmy zajmujące się badaniami rynku również przewidują rosnący rynek dla produktów niskiego i wysokiego napięcia w pojazdach elektrycznych, od bardziej wydajnych baterii po bateryjne przemienniki trakcyjne.

Jest to dziedzina, która do tej pory była zdominowana przez urządzenia węglikowo-krzemowe (SiC), które podobnie jak urządzenia z azotku galu, są klasyfikowane jako półprzewodniki o szerokiej przerwie energetycznej (WBG) i wysokiej ruchliwości elektronów, dzięki którym „stosowane komponenty energoelektroniczne mogą być mniejsze, szybsze, bardziej niezawodne i sprawniejsze niż ich odpowiedniki na bazie krzemu (Si)”.Przerwa energetyczna azotku galu (GaN) wynosi 3,4eV, w porównaniu z 2,2eV w przypadku węglika krzemu (SiC) i 1,12eV dla krzemu (Si).

Półprzewodniki mocy oparte na azotku galu (GaN) i węgliku krzemu (SiC) działają przy wyższych częstotliwościach i charakteryzują się większymi prędkościami przełączania oraz niższą rezystancją przewodzenia niż krzem. Urządzenia węglikowo-krzemowe (SiC) mogą działać przy wyższych napięciach, natomiast urządzenia azotkowo-galowe (GaN) zapewniają szybsze przełączanie przy niższych energiach, co pozwala projektantom na zmniejszenie rozmiarów i ciężaru produktu. Węglik krzemu (SiC) może obsługiwać napięcia do 1200V, podczas gdy azotek galu (GaN) jest ogólnie uważany za bardziej odpowiedni dla napięć do 650V, chociaż ostatnio wprowadzono urządzenia o wyższym napięciu.

Azotek galu (GaN) może zapewnić około 10-krotnie lepsze parametry mocy w funkcji częstotliwości w porównaniu z arsenkiem galu (GaAs) i innymi półprzewodnikami (ilustracja 1).

Ilustracja 1: porównanie technologii energoelektronicznych w zakresie częstotliwości mikrofalowych. (Źródło: Analog Devices, Inc.)

Zagadnienia projektowe

Szacuje się, że co najmniej 70% energii elektrycznej zużywanej na świecie jest przetwarzane przez energoelektronikę. Dzięki charakterystyce półprzewodników GaN o szerokiej przerwie energetycznej (WBG), projektanci mogą tworzyć mniejsze układy energoelektroniczne, wykorzystujące wyższą gęstość mocy, znakomitą sprawność i ultraszybkie przełączanie.

Technologia ta umożliwia innowacje w wielu sektorach, między innymi w energoelektronice, motoryzacji, magazynowaniu energii słonecznej i ośrodkach przetwarzania danych. Urządzenia wykonane z azotku galu (GaN) charakteryzują się wysoką odpornością na promieniowanie i dobrze sprawdzają się w nowo powstających zastosowaniach wojskowych oraz w lotnictwie i kosmonautyce.

Niektórzy projektanci elektroniki mogli rezygnować z urządzeń zasilających z azotku galu (GaN) ze względu na błędne przekonania dotyczące kosztów materiałów. Chociaż produkcja podłoża z azotku galu (GaN) była początkowo znacznie wyższa niż krzemu, ta różnica znacznie się zmniejszyła, a wykorzystanie różnych podłoży daje projektantom możliwość znalezienia najlepszego kompromisu między kosztami a parametrami działania.

Technologia azotku galu na węgliku krzemu (Gan-on-SiC) oferuje projektantom najszerszy potencjał rynkowy przy najlepszym kompromisie pomiędzy kosztami i parametrami działania. Jednak dzięki opcjom azotku galu na krzemie (GaN-on-Si) i azotku galu na diamencie, projektanci produktów mogą wybrać najbardziej odpowiednie podłoże, aby spełnić potrzeby swoich organizacji i klientów w zakresie stosunku ceny do parametrów działania.

Ze względu na bardzo wysokie częstotliwości przełączania azotku galu, projektanci muszą zwracać szczególną uwagę na zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) i sposób ich łagodzenia w układzie pętli zasilania. Aktywne sterowniki bramek, które są niezbędne dla zapobiegania przeregulowaniu napięcia, mogą zmniejszyć zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) wynikające z przebiegów przełączania.

Kolejną kluczową kwestią projektową jest indukcyjność i pojemność pasożytnicza, które mogą powodować fałszywe wyzwalanie. Maksymalizacja korzyści w zakresie wydajności zależy od optymalnego układu bocznych i pionowych pętli zasilania oraz dopasowania prędkości sterownika do prędkości urządzenia.

Projektanci muszą również zoptymalizować odprowadzanie ciepła, aby zapobiec nadmiernemu nagrzewaniu, które może pogorszyć parametry działania i niezawodność. Obudowę należy ocenić pod kątem zdolności do zmniejszania indukcyjności i rozpraszania ciepła.

Firma Analog Devices dostawcą wzmacniaczy mocy GaN

Układy elektroniczne wymagają konwersji napięcia zasilania na napięcie obwodów, które mają być zasilane. Wiodący producent półprzewodników, firma Analog Devices Inc. (ADI) od wielu lat stawia sobie za cel dostarczanie najlepszych w branży wzmacniaczy mocy wykorzystujących azotek galu (GaN) w połączeniu z odpowiednim wsparciem, umożliwiając projektantom osiągnięcie najwyższych docelowych parametrów działania i szybsze wprowadzanie rozwiązań na rynek.

Sterowniki bramek i kontrolery obniżające są niezbędne dla maksymalizacji korzyści, jakie dają urządzenia mocy z azotkiem galu (GaN). Półmostkowe sterowniki azotkowo-galowe (GaN) poprawiają parametry przełączania i ogólną sprawność systemów zasilania. Przetwornice obniżające napięcie prądu stałego przekształcają wyższe napięcie wejściowe na niższe napięcie wyjściowe.

Firma ADI oferuje półmostkowy sterownik GaN 100V LT8418, który integruje górne i dolne stopnie sterownika, sterowanie logiką sterownika, zabezpieczenia oraz przełącznik typu bootstrap (ilustracja 2). Można go skonfigurować do pracy w obniżających lub podwyższających półmostkowych topologiach synchronicznych. Dzielone sterowniki bramek dostosowują szybkości włączania i wyłączania tranzystorów GaN FET w celu optymalizacji zakłóceń elektromagnetycznych (EMI).

Ilustracja 2: schemat przełączającej przetwornicy prądu stałego na bazie urządzenia GAN LT8418 firmy ADI. (Źródło: Analog Devices, Inc.)

Wejścia i wyjścia sterownika GaN firmy ADI domyślnie znajdują się w stanie niskim, aby zapobiec fałszywemu włączaniu tranzystorów GaN FET. Dzięki dużemu opóźnieniu propagacji wynoszącemu 10ns oraz dopasowaniu opóźnienia 1,5ns pomiędzy kanałem górnym i dolnym, urządzenie LT8418 może być używane w przetwornicach prądu stałego wysokiej częstotliwości, sterownikach silników, wzmacniaczach audio klasy D, zasilaczach dla ośrodków przetwarzania danych oraz w szerokiej gamie zastosowań mocy w sektorach konsumenckich, przemysłowych i motoryzacyjnych.

Urządzenia LTC7890 oraz LTC7891 (ilustracja 3) to wysokowydajne kontrolery obniżających regulatorów przełączających prądu stałego (odpowiednio podwójny i pojedynczy) do sterowania synchronicznymi stopniami mocy tranzystorów GaN FET z kanałem N przy napięciach wejściowych do 100V. Kontrolery te mają na celu sprostanie wielu wyzwaniom, przed którymi stają projektanci wykorzystujący tranzystory GaN FET i upraszczają projektowanie zastosowań, ponieważ nie wymagają diod zabezpieczających ani innych dodatkowych komponentów zewnętrznych zwykle stosowanych w krzemowych tranzystorach MOSFET.

Ilustracja 3: kontroler obniżający LTC7891 firmy ADI. (Źródło: Analog Devices, Inc.)

Każdy kontroler zapewnia projektantom możliwość precyzyjnej regulacji napięcia sterownika bramek w zakresie od 4V do 5,5V w celu optymalizacji parametrów działania i umożliwienia użycia różnych tranzystorów GaN FET oraz tranzystorów MOSFET pracujących na poziomach logicznych. Wewnętrzne inteligentne przełączniki typu bootstrap zapobiegają nadmiernemu ładowaniu wtyku BOOSTx do wtyku SWx zasilania sterownika strony wysokiej w czasie martwym, chroniąc bramkę górnego tranzystora GaN FET.

Obydwa komponenty wewnętrznie optymalizują taktowanie sterownika bramek na obu zboczach przełączania, zapewniając niemal zerowe czasy martwe, poprawiając sprawność i umożliwiając pracę z wysoką częstotliwością. Projektanci mogą również regulować czasy martwe za pomocą rezystorów zewnętrznych. Urządzenia są dostępne w obudowach Quad Flat bez odprowadzeń (QFN) ze zwilżanymi bokami. Schematy ilustrują typowe obwody zastosowań urządzeń LTC7890 w konfiguracji z 40 odprowadzeniami, o wymiarach 6mm x 6mm (ilustracja 4) oraz urządzeń LTC7891 w konfiguracji z 28 odprowadzeniami, o wymiarach 4mm x 5mm (ilustracja 5).

Ilustracja 4: typowy obwód zastosowania urządzenia LTC7890 firmy ADI. (Źródło: Analog Devices, Inc.)Ilustracja 5: schemat regulatora obniżającego wykorzystującego urządzenie LTC7891 firmy ADI z 28 odprowadzeniami. (Źródło: Analog Devices, Inc.)

W celu osiągnięcia docelowych parametrów zasilania i optymalizacji płytek, projektanci mogą również skorzystać z oferty narzędzi firmy ADI do zarządzania zasilaniem. W skład tych narzędzi wchodzi kalkulator zmiennych rezystorów obniżających, konfigurator zasilania łańcucha sygnałowego oraz środowisko programistyczne oparte na systemie Windows.

Podsumowanie

Azotek galu (GaN) jest transformacyjnym materiałem półprzewodnikowym, używanym do produkcji komponentów o wysokiej gęstości mocy, ultraszybkim przełączaniu i znakomitej sprawności energetycznej. Projektanci produktów mogą wykorzystać sterowniki bramek GaN FET firmy ADI do tworzenia bardziej niezawodnych i wydajnych systemów składających się z mniejszej liczby komponentów, osiągając w rezultacie mniejsze systemy o mniejszej zajmowanej powierzchni i mniejszej wadze.

Źródło: Narzędzia i komponenty mocy GaN firmy ADI zwiększają możliwości projektowania

Kontakt w Polsce: poland.support@digikey.pl

Autor: Rolf Horn

Rolf Horn, Applications Engineer at DigiKey, has been in the European Technical Support group since 2014 with primary responsibility for answering any Development and Engineering related questions from final customers in EMEA, as well as writing and proof-reading German articles and blogs on DK’s TechForum and maker.io platforms. Prior to DigiKey, he worked at several manufacturers in the semiconductor area with focus on embedded FPGA, Microcontroller and Processor systems for Industrial and Automotive Applications. Rolf holds a degree in electrical and electronics engineering from the university of applied sciences in Munich, Bavaria and started his professional career at a local Electronics Products Distributor as System-Solutions Architect to share his steadily growing knowledge and expertise as Trusted Advisor.

Hobbies: spending time with family + friends, travelling in our VW-California transporter and motorbiking on a 1988 BMW GS 100.

Zapraszamy na TEK.day Gdańsk, 26 września 2024. Zapisz się już dziś!