Prin utilizarea unor tehnici de fabricație inovatoare, cum ar fi arhitecturile pe verticală, care utilizează complet placheta de siliciu, furnizorii au reușit să îmbunătățească frecvența de comutare, ceea ce se răsplătește prin frecvențe de comutare mai mari. Acest lucru, la rândul său, face posibilă reducerea dimensiunii și greutății sursei de alimentare datorită unor componente magnetice și pasive mai mici. Cu toate acestea, pierderile întâlnite la schimbarea stării tranzistorului sunt dificil de evitat, deoarece proprietățile siliciului impun ca purtătorii să aibă nevoie de timp pentru a fi eliminați atunci când canalul este oprit. De asemenea, trebuie să se facă compromisuri în timpul procesului de proiectare între rezistența ON și tensiunea de străpungere.
Deși tehnologia siliciului poate fi considerată matură și rentabilă, atenția se îndreaptă acum către materiale precum nitrura de galiu (GaN) pentru a îmbunătăți performanța circuitelor de alimentare. Un avantaj esențial al GaN constă în energia benzii sale interzise de 3,4eV, de câteva ori mai mare decât cea de 1,1eV a siliciului. Această proprietate duce la o tensiune de străpungere mai mare, pe care proiectanții o pot traduce în dimensiuni mai mici ale tranzistorului. Astfel, se pot obține capacitanțe de poartă și de ieșire mai mici, ceea ce contribuie la creșterea frecvențelor de comutare în domeniul megahertzi.
Cel de-al doilea atribut cheie al GaN este mobilitatea intrinsec mai mare a purtătorilor. Mobilitatea electronică a dispozitivelor GaN este cu aproape 40 de procente mai mare decât a celor din siliciu. Mobilitatea ridicată rezultă din modul în care se formează gazul bidimensional de electroni la frontierele dintre materialele componente, o caracteristică intrinsecă a tranzistoarelor cu mobilitate ridicată a electronilor (HEMT) și care se regăsește în alte materiale, cum ar fi arsenura de galiu (GaAs). Mobilitatea ridicată permite, de asemenea, o rezistență ON scăzută, care se potrivește funcționării la curenți mari.
În comparație cu siliciul, dispozitivele GaN pot funcționa în condiții de temperatură ridicată, ceea ce ar reprezenta o provocare pentru dispozitivele din siliciu, fapt care permite utilizarea unor radiatoare mai mici, contribuind, astfel, la reducerea în continuare a volumului și a greutății dispozitivelor electronice de putere.
Considerații de proiectare pentru dispozitivele GaN
Deși performanța dispozitivelor GaN oferă avantaje cheie în comparație cu siliciul, există considerente importante de proiectare. Comutarea rapidă aduce beneficii în ceea ce privește dimensiunea și eficiența, însă modificările mari ale curentului și ale timpului, combinate cu inductanțele parazite, pot crea tensiuni tranzitorii nedorite în cadrul plăcii de circuit imprimat. Aceste tensiuni tranzitorii pot interfera cu poarta și cu circuitele de comandă ale dispozitivului și pot duce, eventual, la o oscilație prelungită care trebuie suprimată pentru o funcționare sigură. Proiectanții pot controla aceste condiții prin tehnici la nivel de PCB care reduc la minimum inductanțele parazite sau prin utilizarea unor componente de atenuare, cum ar fi capacitoarele cu o rezistență echivalentă în serie redusă.
În plus, unele comportamente ale tehnologiei GaN pot fi necunoscute pentru proiectanții care sunt obișnuiți să proiecteze cu MOSFET-uri din siliciu. Multe tranzistoare de putere GaN sunt dispozitive cu modul de epuizare, tipic, activat, în timp ce MOSFET-urile de siliciu sunt larg disponibile cu modul de îmbunătățire, tipic, dezactivat. Acest lucru necesită unele modificări subtile ale circuitelor de comandă a porții, cum ar fi abilitatea de a conduce la tensiuni negative pentru a dezactiva complet FET-ul GaN. Un alt aspect de luat în considerare constă în tratarea vitezelor de creștere mari care vor fi întâlnite, în special, în partea superioară (high side) a convertoarelor de putere tip jumătate de punte, unde driverele de poartă trebuie să poată demonstra o bună imunitate la regimurile tranzitorii de mod comun.
Având în vedere că intră pe piață o gamă variată de noi produse GaN, producători de semiconductori de top, precum Infineon Technologies, Nexperia și NXP, proiectează soluții pentru a ajuta inginerii să depășească provocările generate de noua tehnologie GaN și să integreze beneficiile oferite de aceasta în proiectele lor.
Soluții integrate în beneficiul proiectanților
O modalitate de abordare a constrângerilor legate de proiectarea PCB-urilor, care necesită un nivel scăzut de perturbații parazite în cazul tehnologiei GaN, este utilizarea unei soluții integrate, cum ar fi GAN063-650WSAQ produsă de Nexperia. Tranzistorul GaN FET de 650V, 50mΩ GaN este un dispozitiv normal închis, care combină tehnologiile de ultimă generație GaN de înaltă tensiune și MOSFET din siliciu de joasă tensiune de la Nexperia.
Potrivit pentru utilizarea în convertoare de putere din domeniul industrial și al comunicațiilor, invertoare fotovoltaice, drivere de motoare și front-end-uri de corecție a factorului de putere, GAN063-650WSA combină într-o singură capsulă tehnologiile GaN și MOSFET din siliciu pentru a oferi mai multe beneficii proiectanților. Primul beneficiu al ambalării împreună a diferitelor tipuri de dispozitive, în loc să fie montate separat pe un PCB, constă în nivelul redus de perturbații parazite pe circuitul de comandă a porții și un layout optimizat al PCB-ului. Al doilea beneficiu este acela că produsul se află în modul de îmbunătățire normal-oprit, care se poate conecta cu ușurință la un circuit de comandă de poartă convențional, deoarece MOSFET-ul din siliciu este un dispozitiv de 30V care controlează un tranzistor de putere de 650V. În sfârșit, aceste dispozitive adaptate asigură o imunitate ridicată la perturbații tranzitorii în topologiile de putere cu comutație înaltă, cum ar fi configurația totem-pole preferată în front-end-urile de corecție a factorului de putere (PFC), precum și în topologiile care utilizează tehnici de comutare mai blânde.
Flexibilitate pentru dispozitive robuste și pentru temperaturi ridicate
Având o experiență vastă în proiectarea tranzistoarelor de putere, Infineon a îmbrățișat mai multe tehnologii cu scopul de a o oferi pe cea potrivită pentru fiecare piață țintă. În prezent, Infineon oferă dispozitive din siliciu în arhitecturi MOSFET și IGBT (Insulated Gate Biopolar Transistor), alături de GaN și SiC (carbură de siliciu), un material potrivit pentru utilizarea la temperaturi foarte ridicate sau acolo unde robustețea este o cerință absolută.
O caracteristică importantă a IGT60R070D1 și a altor dispozitive din familia CoolGaN de tranzistoare de putere de 600V ale companiei este că acestea oferă o funcționare în modul de îmbunătățire și o integrare mai ușoară în proiectele de circuite, oferind în același timp avantajele unor viteze de comutare foarte mari. IGT60R070D1 oferă o rezistență ON de numai 70mΩ, o capacitanță de poartă de 5,8nC și o robustețe excelentă la comutare.
Pentru a facilita comanda tensiunilor de poartă mai mari ale dispozitivelor GaN, Infineon a proiectat familia de circuite integrate EiceDRIVER. Aceste drivere de poartă permit comutarea rapidă a unui tranzistor GaN, cum ar fi IGT60R070D1, lucru posibil datorită imunității lor extinse în regim tranzitoriu de mod comun. Driverul de poartă izolat EiceDRIVER generează tensiunea negativă poartă-sursă necesară pentru a asigura stări de deconectare sigure în timpul fenomenelor tranzitorii de comutare și pentru a proteja tranzistorul de putere împotriva evenimentelor de pornire neprevăzute. Izolarea galvanică integrată înseamnă că circuitele integrate de comandă a porții pot oferi suportul necesar pentru implementarea aplicațiilor de tip jumătate de punte cu comutare puternică, așa cum este topologia totem-pole necesară pentru PFC.
Alimentare cu energie RF
Frecvențele de comutare ridicate care pot fi obținute cu GaN sunt potrivite pentru o serie de aplicații în furnizarea de energie RF pentru încălzire industrială, sudare și etanșare termică sau generator de plasmă. Tranzistoarele GaN RF de putere de la NXP, precum MRF24G300HS, sunt create pentru a permite furnizarea de energie RF în banda industrială, științifică și medicală (ISM) de 2400-2450 MHz, fără licență, din spectrul radio. Pentru a oferi performanțe termice ridicate, tranzistorul GaN este implementat pe un substrat SiC, contribuind la asigurarea unei operări cu undă continuă sau pulsată. În condiții de undă continuă, dispozitivul poate furniza o putere de ieșire de 336 W.
Tehnologia GaN oferă avantaje cheie față de tehnologia MOSFET tradițională pe siliciu, care va continua să sprijine crearea de noi aplicații, oferind în același timp surse de alimentare mai compacte și mai eficiente. Pentru a profita din plin de tehnologia GaN, inginerii se pot adresa distribuitorilor globali de produse electronice cu capabilități extinse de asistență pentru proiectare, cum ar fi Farnell, pentru a găsi dispozitivul potrivit și a accesa expertiza necesară pentru a elabora următorul lor proiect și pentru a explora, eventual, noi piețe.
Rezumat
Cheia pentru a face următorul pas esențial către o lume eficientă din punct de vedere energetic constă în utilizarea de noi materiale, cum ar fi semiconductorii cu bandă interzisă largă, care permit o eficiență energetică mai mare, dimensiuni mai mici, greutate mai mică, costuri globale mai mici – sau toți acești factori combinați. Deși tehnologia siliciului poate revendica maturitatea și rentabilitatea, atenția se îndreaptă acum către materiale precum nitrura de galiu (GaN), pentru a îmbunătăți performanța circuitelor de alimentare.
Principalii producători de semiconductori, printre care Infineon Technologies, Nexperia și NXP, proiectează soluții pentru a ajuta inginerii să depășească provocările unei noi tehnologii și să integreze beneficiile tehnologiei GaN în proiectele lor.
Autori:
Adrian Cotterill
Senior Global Product Manager – Discrete Semiconductor
Patricio Gomez Bello
Senior Global Product Manager – Power Management, Mixed Signal
Farnell element14 | ro.farnell.com
