Nagy teljesítményű ADI GaN alkatrészek és eszközök bővítik a tervezési lehetőségek tárházát

A gallium-nitrid (GaN) félvezetők hosszú utat tettek meg azóta, hogy az 1990-es évek elején nagy fényerejű kék világítódiódák (LED-ek) formájában először váltak kereskedelmi szempontból életképessé, majd a Blu-ray optikai lemezlejátszók alapvető technikájává. Csaknem két évtizedbe telt, mire ez a technika műszaki szempontból is igazán hasznossá vált a nagy teljesítményű, jó hatásfokú térvezérelt tranzisztorokban (FET, field effect transistor) való felhasználás révén.

A GaN félvezetők jelenleg a félvezetőipar egyik leggyorsabban növekvő szegmensét képviselik, a becsült éves növekedésük 25% és 50% között mozog, amit a jobb hatásfokú eszközök iránti kereslet serkent. Jobb hatásfokú eszközökre pedig többek közt azért van szükség, hogy elősegítsék fenntarthatósággal kapcsolatos és a villamosítási célok elérését.

GaN tranzisztorokat használva a szilíciumtranzisztoroknál kisebb méretű, jobb hatásfokú eszközök készíthetők. A kezdetben nagy teljesítményű mikrohullámú erősítőrendszerekhez használt GaN gyártási gazdaságossága és azon képessége, hogy segítségével kis méretű, nagyobb teljesítményű erősítőket lehet építeni, kiterjesztette ennek a félvezetőnek a felhasználási körét, és egy több milliárd dolláros eszközpiacot hozott létre a fogyasztói, ipari és katonai felhasználási területeken.

A szilícium (Si) MOSFET-ekről széles körben úgy vélik, hogy a teljesítményelektronika terén már elérték elméleti határaikat, míg a GaN FET-ek még mindig nagy lehetőségeket rejtenek a teljesítmény további növelésére. A GaN félvezetőkhöz leggyakrabban szilícium-karbid (SiC) hordozóanyagot (idegen szóval szubsztrátot) használnak, ezt követi a szilícium, amely gazdaságosabb, illetve a gyémánt, amely a legjobb teljesítőképességű, de egyben a legdrágább is. A GaN eszközök magasabb hőmérsékleten működnek, nagyobb elektronmozgékonysággal és -sebességgel, mint a szilíciumalapú eszközök, és kicsi vagy nulla a záróirányú töltésmennyiségük.

A nagy teljesítményű GaN félvezetők teljesítménysűrűsége körülbelül ötször nagyobb, mint a teljesítményerősítő gallium-arzenid (GaAs) félvezetőké. Legalább 80%-os hatásfokukkal a GaN félvezetők kiváló teljesítményt, nagy sávszélességet és jó hatásfokot kínálnak az olyan alternatívákkal szemben, mint a GaAs és LDMOS félvezetők (LDMOS: laterally diffused metal-oxide semiconductor, oldalirányú áramfolyású fém-oxid félvezető). A technikát ma már számos felhasználási területen használják, a gyorstöltő hálózati adapterektől kezdve az autók fejlett vezetőtámogató rendszereibe (ADAS) beépített lidar (más néven lézerradar, lézeres objektumérzékelő és távolságmérő) eszközökig.

Az adatközpontok egy másik feltörekvő piacot jelentenek a GaN-alapú eszközök számára, amelyek olcsóbban képesek nagyobb teljesítményre, és kevesebb hűtést igényelnek, ami szintén csökkenti az árakat, valamint segítenek az üzemeltetőknek a nemzetközi és állami szabályozási és politikai színtereken a környezetvédelemmel kapcsolatos egyre hevesebb viták elcsendesítésében.

A félvezetőgyártók és a piackutató cégek a villanyjárművekben használt kis- és nagyfeszültségű berendezések piacán is növekedést jósolnak a GaN félvezetőknek a jobb hatásfokú akkumulátoroktól az akkumulátorról működő vontatómotorok vontatási invertereiig.

Ez egy olyan terület, amelyet eddig a SiC eszközök uraltak. Ezek a GaN-hez hasonlóan a nagy elektronmozgékonyságú, széles tiltott sávú (WBG, wide-bandgap) félvezetők közé tartoznak, amelyek „lehetővé teszik, hogy a teljesítményelektronikai alkatrészek kisebbek, gyorsabbak, megbízhatóbbak és jobb hatásfokúak legyenek, mint szilíciumalapú társaik”. (Az idézet az Amerikai Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának egyik kiadványából való.) A GaN tiltott sávja 3,4 eV, szemben a SiC 2,2 eV-os és az SI 1,12 eV-os tiltott sávjával.

A GaN és SiC teljesítmény-félvezetők nagyobb frekvencián működnek, mint a szilíciumból készültek, valamint nagyobb a kapcsolási sebességük és kisebb a vezetési (nyitóirányú) ellenállásuk. A SiC eszközök képesek nagyobb feszültségen is működni, míg a GaN eszközök gyorsabb kapcsolást tesznek lehetővé kisebb energiafelhasználással, ami lehetővé teszi a tervezők számára a méret és a tömeg csökkentését. A SiC akár 1200 V-ot is kibír, míg a GaN eszközöket általában 650 V-ig tekintik megfelelőbbnek, bár a közelmúltban bemutattak már ennél nagyobb feszültségűeket is.

A GaN adott frekvenciatartományban körülbelül 10-szer akkora teljesítményt képes leadni, mint a GaAs és más félvezetők (1. ábra).

1. ábra: A teljesítményelektronika mikrohullámú frekvenciatartományban való összehasonlítása (ábra: Analog Devices, Inc.)

Tervezési szempontok

Becslések szerint a világszerte felhasznált villamos energia 70%-át vagy még többet teljesítményelektronika segítségével dolgozzák fel. A GaN széles tiltott sávjának köszönhetően a tervezők kisebb teljesítményelektronikai rendszereket hozhatnak létre nagyobb teljesítménysűrűséggel, kiváló hatásfokkal és rendkívül nagy kapcsolási sebességgel.

Ez a technika újításokra ad lehetőséget számos piacon, többek között a teljesítményelektronikában, a gépjárműiparban, a napenergia-tárolásban és az adatközpontokban. A sugárzással szemben rendkívül ellenálló GaN eszközök jól használhatóak az újonnan megjelenő katonai, repülőgépes és űrkutatási eszközökben is.

Egyes elektronikai tervezők talán az anyagköltséggel kapcsolatos téves elképzelések miatt korábban elzárkóztak a GaN tápegységektől. Bár a GaN félvezetők gyártási költségei kezdetben sokkal magasabbak voltak, mint a Si félvezetőkéi, ez a különbség azóta jelentősen csökkent, és a különböző félvezetők használata lehetővé teszi a tervezők számára, hogy megtalálják a legjobb kompromisszumot a költségek és a teljesítmény között.

A tervezők számára a SiC hordozóanyagra felvitt GaN (GaN-on-SiC) tranzisztorok kínálják a legszélesebb körű piaci lehetőségeket a költségek és a teljesítmény közötti legjobb kompromisszumot nyújtva. A szilícium, illetve gyémánt hordozóanyagra felvitt GaN (GaN-on-Si, illetve GaN-on-diamant) tranzisztorok jelentette választási lehetőségnek köszönhetően azonban a terméktervezők kiválaszthatják azt a hordozóanyagot, amely leginkább megfelel a vállalatuk és az ügyfeleik árra és teljesítményre vonatkozó elvárásainak.

A GaN nagyon nagy kapcsolási sebessége miatt a tervezőknek különösen nagy figyelmet kell fordítaniuk az elektromágneses zavarásra (EMI, electromagnetic interference) és arra, hogy hogyan lehet azt csökkenteni a teljesítményhurokban. Az aktív kapuvezérlők, amelyek elengedhetetlenek a feszültségtúllövések megelőzéséhez, csökkenthetik a kapcsolási hullámformák miatti elektromágneses zavarást.

Egy másik fontos tervezési probléma a parazitainduktivitás és parazitakapacitás, amely a tranzisztor téves nyitását eredményezheti. A teljesítményelőnyök maximalizálása a vízszintes és függőleges tápáramhurkok optimális kialakításától és a kapuvezérlő sebességének az eszköz sebességéhez igazításától függ.

A tervezőknek optimalizálniuk kell a hűtést is, hogy elkerüljék a túlzott felmelegedést, amely veszélyeztetheti a teljesítményt és a megbízhatóságot. A tokozást az induktivitások csökkentésére és a hőelvezetésre való képessége alapján kell értékelni.

Az Analog Devices GaN teljesítményerősítőket dob a piacra

Az elektronikus rendszerekben a tápegység feszültsége és a táplálandó áramkörök által igényelt feszültség közötti különbség miatt feszültségátalakításra van szükség. A régóta a vezető félvezetőgyártók közé tartozó Analog Devices, Inc. (ADI) célja, hogy az iparágban a legjobb GaN teljesítményerősítő-teljesítményt és támogatást nyújtson, lehetővé téve a tervezők számára, hogy elérjék a legmagasabb teljesítménycélokat, és gyorsabban piacra dobhassák a készülékeiket.

Ahhoz, hogy a legtöbbet hozzuk ki a GaN teljesítményeszközök előnyeiből, elengedhetetlenek a kapuvezérlők és a feszültségcsökkentő vagy feszültségnövelő feszültségszabályozók. A félhidas GaN kapuvezérlők javítják az áramátalakító rendszerek kapcsolási teljesítményét és általános hatásfokát. A feszültségcsökkentő egyenáram-átalakítók egy nagyobb bemenőfeszültséget kisebb kimenőfeszültséggé alakítanak át.

Az ADI kínálatában szerepel az LT8418 jelű 100 V-os félhidas GaN kapuvezérlő, amely tartalmazza a felső és az alsó csatorna vezérlőfokozatát, a kapuvezérlő logikai vezérlését, a védelmeket és egy utánhúzó kapcsolót (2. ábra). Szinkron félhidas feszültségcsökkentő vagy feszültségnövelő feszültségszabályozókba építhető be. Az osztott kapuvezérlők a GaN FET-ek nyitási és zárási sebességét állítják be az elektromágneses zavarás mértékének optimalizálása érdekében.

2. ábra: A GaN-alapú ADI LT8418 kapuvezérlőre épülő kapcsolóüzemű egyenáram-átalakító bekötési rajza (ábra: Analog Devices, Inc.)

Az ADI GaN kapuvezérlő be- és kimenetei alapértelmezetten alacsony szinten vannak a GaN FET-ek téves nyitásának megakadályozása érdekében. A kis, 10 ns-os terjedési késleltetéssel, valamint a felső és alsó csatorna közötti 1,5 ns-os késleltetésillesztéssel az LT8418 alkalmas nagyfrekvenciás egyenáram-átalakítókhoz, villanymotor-vezérlőkhöz, D osztályú hangerősítőkhöz, adatközpontok tápegységeihez és a fogyasztói, ipari és gépjárműipari felhasználási területek széles köréhez.

Az LTC7890 és az LTC7891 (3. ábra) nagy teljesítményű két-, illetve egycsatornás kapcsolóüzemű egyenáram-átalakító, amelyek n csatornás szinkron GaN FET teljesítményfokozatok maximum 100 V bemenőfeszültségről történő meghajtására szolgálnak. Ezek a feszültségszabályozók a tervezők elé tornyosuló számos kihívás megoldását megcélozva GaN FET-ek használatával egyszerűsítik a készüléktervezést, ugyanis nem igényelnek sem védődiódákat, sem más, a szilícium MOSFET-ek esetén jellemzően szükséges további külső alkatrészeket.

3. ábra: Az ADI LTC7891 feszültségcsökkentő feszültségszabályozó (kép: Analog Devices, Inc.)

A teljesítmény optimalizálása és a különböző GaN FET-ek és logikai szintű MOSFET-ek használatának elősegítése érdekében mindegyik feszültségszabályozó lehetővé teszi a tervezők számára a kapuvezérlő feszültség pontos beállítását 4 V és 5,5 V között. A belső intelligens utánhúzó kapcsolók megakadályozzák, hogy a BOOSTx láb töltéstöbblete a holtidőkben átkerüljön a magasoldali vezérlő áramellátására szolgáló SWx lábra, megvédve a felső GaN FET kapuját.

Mindkét részegység belsőleg optimalizálja a kapuvezérlő időzítését mindkét (felfutó és lefutó) kapcsolóélen a közel nulla holtidő érdekében, javítva a hatásfokot, és lehetővé téve a nagyfrekvenciás működést. A tervezők külső ellenállásokkal is beállíthatják a holtidőt. Ezek az eszközök oldalról forrasztható érintkezőkkel kaphatóak négyoldali érintkezősoros, lapos, láb nélküli (QFN, quad flat no-lead) tokozásban. Az alábbi kapcsolási rajzokon a 40 lábú, 6 mm × 6 mm-es LTC7890 (4. ábra), illetve a 28 lábú, 4 mm × 5 mm-es LTC7891 (5. ábra) feszültségszabályozó köré épülő egy-egy jellegzetes valós áramkör látható.

4. ábra: Az ADI LTC7890 köré épülő jellegzetes valós áramkör kapcsolási rajza (ábra: Analog Devices, Inc.)

5. ábra: A 28 lábú ADI LTC7891 köré épülő használó feszültségcsökkentő feszültségszabályozó kapcsolási rajza (ábra: Analog Devices, Inc.)

A tervezők az ADI energiagazdálkodási eszközei alkotta termékválasztékot is kihasználhatják az áramellátási teljesítménycélok elérése és a kártyák optimalizálása érdekében. Az eszközkészlet egy változó feszültségcsökkentőellenállás-számító egységet, egy jelláncteljesítmény-beállítót és egy Windows-alapú fejlesztőkörnyezetet tartalmaz.

Összegzés

A GaN a piacot jelenleg éppen átalakító félvezető anyag, amelyet nagy teljesítménysűrűségű, rendkívül nagy kapcsolási sebességű és kiváló hatásfokú alkatrészek előállítására használnak. A terméktervezők kihasználhatják az ADI GaN FET kapuvezérlőit, hogy megbízhatóbb és jobb hatásfokú rendszereket hozzanak létre kevesebb alkatrésszel, ami kisebb alapterületű és tömegű rendszereket eredményez.