Effektkomponenter av galliumnitrid och verktyg från ADI skapar nya konstruktionsmöjligheter

Halvledare av galliumnitrid (GaN) har kommit långt sedan de först blev kommersiellt gångbara som mycket ljusstarka, blå lysdioder (LED) i början av 1990-talet och därefter som en viktig teknik för optiska Blu-ray-spelare. Det skulle dröja nästan två decennier innan tekniken var kommersiellt gångbar för fälteffekttransistorer (FET) med hög verkningsgrad.

Galliumnitrid är nu ett av de snabbast växande segmenten inom halvledarindustrin, med en uppskattad årlig tillväxt på mellan 25 och 50 %, drivet av efterfrågan på enheter med högre energieffektivitet för att uppfylla hållbarhets- och elektrifieringsmålen.

GaN-transistorer kan användas för att konstruera enheter som är mindre och har högre verkningsgrad än transistorer av kisel. Galliumnitrid användes ursprungligen för förstärkarsystem med mikrovågor för hög effekt, men de ekonomiska fördelarna vid tillverkning av galliumnitrid och möjligheten att skapa små, mer kraftfulla förstärkare har lett till en mångmiljardmarknad som omfattar tillämpningar för konsument, industri och militär.

MOSFET:ar av kisel anses i stort ha nått sina teoretiska gränser för effektelektronik, medan GaN-FET:ar fortfarande har stor potential för ytterligare prestandaförbättringar. GaN-halvledare använder oftast substrat av kiselkarbid (SiC), följt av kisel, som är mer ekonomiskt, eller diamant som är det mest effektiva, men även dyraste, substratet. GaN-enheter fungerar vid högre temperaturer med högre elektronrörlighet och -hastighet än enheter baserade på kisel och med låg eller ingen omvänd återhämtningsladdning.

Effekthalvledare av galliumnitrid har ungefär fem gånger högre effekttäthet än effekthalvledare av galliumarsenid (GaAs). Med en verkningsgrad på 80 % eller mer har GaN-halvledare överlägsen effektivitet och bandbredd jämfört med alternativ som t.ex. GaAs- och LDMOS-halvledare (laterally diffused metal-oxide semiconductors). Tekniken används idag i en rad olika tillämpningar, från nätadaptrar för snabbladdning till LiDAR-enheter som ingår i avancerade system för förarassistans (ADAS) för bilar.

Datacenter är en annan kommande marknad för enheter baserade på galliumnitrid, som kan hantera ökande energiförbrukning och kylningskrav till lägre kostnad samt göra det lättare för operatörer att hantera ökande miljödiskussioner kring bestämmelser och politik.

Tillverkare av halvledare och marknadsundersökningsföretag förutspår även en växande marknad för låg- och högspänningstillämpningar i elfordon, från effektivare batterier till batteridrivna omriktare för drivning.

Det är ett område som hittills har dominerats av kiselkarbidenheter som, liksom galliumnitrid, klassificeras som halvledare med brett bandgap (WBG) och med hög elektronrörlighet som "gör att komponenter för kraftelektronik kan vara mindre, snabbare, tillförlitligare och effektivare än motsvarigheter baserade på kisel (Si)".GaN har ett bandgap på 3,4 eV, jämfört med 2,2 eV för SiC och 1,12 eV för Si.

Effekthalvledare av galliumnitrid och kiselkarbid arbetar vid högre frekvenser, har snabbare switchningshastigheter och lägre ledningsresistans än kisel. Enheter av kiselkarbid kan arbeta vid högre spänningar, medan enheter av galliumnitrid har snabbare switchning med lägre energiförbrukning, vilket gör att konstruktörer kan minska storleken och vikten. Kiselkarbid klarar upp till 1 200 V medan galliumnitrid generellt sett har ansetts vara mer lämpligt för upp till 650 V, även om enheter för högre spänning nyligen har introducerats.

Galliumnitrid kan ha ungefär tio gånger högre effekt i frekvensområdet jämfört med galliumarsenid och andra halvledare (figur 1).

Figur 1: Jämförelse av elektronik med hög effekt för frekvensområdet för mikrovågor. (Källa: Analog Devices, Inc.)

Konstruktionsöverväganden

Det uppskattas att 70 % eller mer av den elektriska energi som förbrukas i världen bearbetas av effektelektronik. Med galliumnitridens egenskaper för brett bandgap kan konstruktörer skapa mindre effektelektroniksystem med hjälp av högre effekttäthet, överlägsen verkningsgrad och mycket snabba switchningshastigheter.

Tekniken möjliggör innovation på flera marknader, bland annat effektelektronik, fordon, solenergilagring och datacenter. GaN-komponenter är mycket strålningsresistenta och lämpar sig väl för nya militära och rymdteknologiska tillämpningar.

Elektronikkonstruktörer kan ha avstått från effektenheter med galliumnitrid på grund av missuppfattningar gällande materialkostnader. Till en början var tillverkningen av GaN-substrat mycket dyrare än Si-substrat, men den skillnaden har minskat avsevärt och användningen av olika substrat skapar möjligheter för konstruktörer att hitta den bästa avvägningen mellan kostnad och prestanda.

GaN på SiC har den bredaste marknadspotentialen för konstruktörer med den bästa avvägningen mellan kostnad och prestanda. Men med alternativen GaN på Si och GaN på diamant kan produktutvecklare välja det lämpligaste substratet för att uppfylla de krav på pris/prestanda som deras organisationer och kunder har.

På grund av mycket höga switchningshastigheter hos galliumnitrid måste konstruktörer vara särskilt uppmärksamma på elektromagnetiska störningar (EMI) och hur de kan minskas i effektkretsens layout. Aktiva gate-drivenheter, som är nödvändiga för att förhindra spänningsöverslag, kan minska de elektromagnetiska störningarna från switchade vågformer.

En annan viktig konstruktionsfråga är den parasitiska induktans och kapacitans som kan leda till felaktig aktivering. För att maximera prestandafördelarna krävs en optimal layout av de laterala och vertikala effektlingorna och att drivkretsens hastighet anpassas till enhetens hastighet.

Konstruktörer måste även optimera värmehanteringen för att förhindra överdriven uppvärmning som kan försämra prestanda och tillförlitlighet. Kapslingen bör utvärderas utifrån dess förmåga att minska induktanser och avleda värme.

Analog Devices levererar GaN-effektförstärkare

Elektroniska system kräver omvandling mellan strömförsörjningens spänning och spänningen i de kretsar som ska försörjas med ström. Det sedan länge ledande halvledarföretaget Analog Devices, Inc. (ADI) har som mål att leverera branschledande prestanda för GaN-effektförstärkare i kombination med support, så att konstruktörer kan uppnå högsta prestanda och snabbare få ut sina lösningar på marknaden.

Gate-drivkretsar och styrenheter för step-down (eller buck) är avgörande för att maximera fördelarna med GaN-effektenheter. GaN-drivkretsar med halvbrygga förbättrar verkningsgraden vid switchning och kraftsystemens totala verkningsgrad. Step-down-omvandlare för likström omvandlar en högre inspänning till en lägre utspänning.

ADI har LT8418, en GaN-drivkrets med halvbrygga för 100 V som integrerar övre och nedre drivsteg, styrning för drivkretsens logik, skydd och en bootstrap-switch (figur 2). Den kan konfigureras med synkrona halvbryggor för buck- eller boost-topologier. Split gate-drivkretsar justerar stig- och falltiderna (svängningshastigheten) för till- och frånslag i GaN-FET:ar för att optimera de elektromagnetiska störningarna.

Figur 2: Kretsschema för den switchande GaN-baserade DC/DC-omvandlaren LT8418 från ADI. (Källa: Analog Devices, Inc.)

In- och utgångarna på GaN-drivkretsarna från ADI är som standard i lågt läge för att förhindra falskt tillslag av GaN-FET:ar. Med en snabb fördröjning på 10 ns, tillsammans med en fördröjningsmatchning på 1,5 ns mellan den övre och nedre kanalen, är LT8418 lämplig för högfrekventa likströmsomvandlare, motordrivenheter, ljudförstärkare i klass D, strömförsörjning för datacenter och ett stort utbud av krafttillämpningar för konsument-, industri- och fordonsmarknader.

LTC7890 och LTC7891 (figur 3) är dubbla respektive enkla DC-till-DC-switchningsregulatorer med hög verkningsgrad för styrning av effektsteg för synkrona GaN-FET:ar med N-kanal, från inspänning upp till 100 V. Styrenheterna är avsedda att lösa många av de utmaningar som konstruktörer ställs inför vid användning av GaN-FET:ar och förenklar konstruktionen av tillämpningar genom att inte kräva skyddsdioder eller flera andra kringkomponenter som vanligtvis används i lösningar med MOSFET:ar av kisel.

Figur 3: step-down-omvandlaren LTC7891 från ADI (Källa: Analog Devices, Inc.)

Respektive omvandlare ger konstruktörer möjlighet att noggrant justera spänningen för gate-drivkretsen mellan 4 och 5,5 V för att optimera effektiviteten och möjliggöra användning av olika GaN-FET:ar och MOSFET:ar med logiknivå. Interna smarta bootstrap-switchar förhindrar överladdning på BOOSTx-stiftet till SWx-stiftets drivkällor för primärsidan under dödtid, vilket skyddar gaten på den översta GaN-FET:en.

Båda komponenterna optimerar gate-drivkretsens timing internt för båda switchningsflankerna för att uppnå dödtider nära noll, förbättra verkningsgraden och möjliggöra drift med höga frekvenser. Konstruktörer kan även justera dödtiderna med externa resistorer. Enheterna är tillgängliga med vätbara sidor i QFN-kapslingar. Kretsschemana illustrerar typiska tillämpningskretsar med LTC7890 (figur 4) med 40 stift, 6 x 6 mm och LTC7891 (figur 5) med 28 stift, 4 x 5 mm.

Figur 4: Kretsschema för en typisk tillämpningskrets med LTC7890 från ADI (Källa: Analog Devices, Inc.)

Figur 5: Kretsschema för en step-down regulator med LTC7891 med 28 stift från ADI. (Källa: Analog Devices, Inc.)

Konstruktörer kan även dra nytta av en uppsättning verktyg för strömhantering från ADI för att uppnå prestandamålen för strömförsörjningen och optimera kretskorten. Verktygsuppsättningen innehåller en kalkylator för variabel buck-resistans, en konfigurator för signal chain power-plattformen och en Windows-baserad utvecklingsmiljö.

Sammanfattning

GaN är ett halvledarmaterial för omvandling som används för att tillverka komponenter med hög effekttäthet, mycket snabba switchningshastigheter och överlägsen effektivitet. Produktutvecklare kan utnyttja GaN-FET:ar från ADI för att skapa system som är tillförlitligare och effektivare men med färre komponenter, som medför system med mindre format och lägre vikt.