GaN FET-ek használata jó hatásfokú, magasabb feszültségű kapcsolóüzemű tápegységekben

Az elektronikai rendszerek hatásfoka társadalmi és jogszabályi követelmények miatt is elsőbbséget élvez. Az energiaátalakítás hatásfoka és fajlagos teljesítménye a villanyjárművektől (EV, electric vehicle) kezdve a nagyfeszültségű kommunikációban és az ipari infrastruktúrákban használt berendezésekig kritikus fontosságú a tervezés sikere szempontjából.

Ezeknek a követelményeknek a teljesítése érdekében a kapcsolóüzemű tápegységek tervezőinek valami másra kell váltaniuk a hagyományos szilíciumalapú (Si) félvezetős fém-oxid záróréteges térvezérelt tranzisztorok (MOSFET, metal oxide semiconductor field effect transistor) és a szigetelt kapus bipoláris tranzisztorok (IGBT, insulated gate bipolar transistor) helyett, mert azok rohamosan közelítik képességeik elméleti határait.

A tervezőknek ideje megbarátkozniuk a gondolattal, hogy széles tiltott sávú (WGB, wide bandgap) anyagokból, például gallium-nitridből (GaN) készült eszközöket használjanak helyettük. A GaN eszközök gyorsabban kapcsolnak, mint a Si eszközök, magasabb feszültség- és teljesítményszinteket képesek kezelni, adott teljesítményszint mellett sokkal kisebbek, és sokkal jobb hatásfokkal működnek.

Ez a cikk megvizsgálja a GaN FET-ek alapjait, bemutatja a hagyományos Si eszközökkel szembeni előnyeiket a kapcsolóüzemű tápegységekben, a Nexperia cég eszközeit használó valós példákat mutat be, és megvitatja GaN FET-ek használati módjait.

A GaN FET-ek alapjai

Az áramátalakító áramkörök alapvető elemei a nagyfeszültségű félvezetős kapcsolók. A tervezők arra összpontosítottak, hogy javítsák ezeknek az eszközöknek a teljesítményét a következők révén: a vezetési veszteségek csökkentése a FET-ek nyitóirányú soros ellenállásának csökkentésével, a kapcsolási veszteségek csökkentése a nyitási és zárási átmenetek sebességének növelésével, valamint a parazitakapacitások és -induktivitások csökkentése. Ezek a tervezési erőfeszítések a szilícium MOSFET-ek és IGBT-k esetében alapjában véve sikeresek voltak, de a fejlődés üteme lelassult, mivel ezen eszközök egyre inkább megközelítik képességeik elméleti határait.

Ennek eredményeképpen az elmúlt néhány évben a szilícium-karbid (SiC) és a gallium-nitrid (GaN) alapú széles tiltott sávú eszközök egyre nagyobb mennyiségben jelentek meg, és már tömeggyártásban készülnek. Ezek az eszközök nagyobb üzemi feszültségtartományt, rövidebb kapcsolási időt és jobb hatásfokot kínálnak.

A félvezetők tiltott sávja az a legkisebb energia, amely az elektronok olyan mértékű gerjesztéséhez szükséges, hogy azok kötött állapotból szabad állapotba kerüljenek, és vezetni tudják a villanyáramot (1. táblázat).

1. táblázat: A széles tiltott sávú félvezetőket – például a GaN-et és a SiC-t – a Si-tól megkülönböztető legfontosabb jellemzők összefoglalása (táblázat: Art Pini)

A széles tiltott sávú félvezetőkkel készült eszközök sokkal nagyobb feszültségen, frekvencián és hőmérsékleten képesek működni, mint a hagyományos félvezető anyagokkal, például Si-mal készültek. A szélesebb tiltott sáv különösen azért fontos, mert lehetővé teszi, hogy az eszközök sokkal magasabb hőmérsékleten működhessenek. A magas hőmérsékletek tűrése azt jelenti, hogy normál körülmények között ezek az eszközök sokkal nagyobb teljesítményszinteken is használhatók. A nagyobb kritikus elektromos térerővel rendelkező és nagyobb elektronmozgékonyságú széles tiltott sávú félvezetőknek van a legkisebb nyitóirányú nyelő–forrás (drain–source) ellenállásuk (R_DS(ON)), ami csökkenti a vezetési veszteségeket.

A legtöbb széles tiltott sávú anyagnak nagy a szabadelektron-sebessége is, ami lehetővé teszi, hogy nagyobb kapcsolási sebességgel működjenek.

A tiszta Si-hoz képest, amelynek a tiltott sávja 1,12 eV (elektronvolt), a GaN és a SiC vegyes félvezetők, és a tiltott sávjuk csaknem háromszorosa a Si-énak, 3,4 eV (GaN), illetve 3,3 eV (SiC). Ez azt jelenti, hogy mindkettő nagyobb feszültségen és frekvencián képes működni.

A GaN a nagyobb elektronmozgékonysága miatt sokkal alkalmasabb a nagy teljesítményű, nagyfrekvenciás eszközökben való használatra. A GaN teljesítmény-FET-ek által lehetővé tett nagyobb kapcsolási sebességek és magasabb működési frekvenciák jobb jelvezérlést, magasabb határfrekvenciájú passzív szűrőket és kisebb búgóáramokat eredményeznek. Ez lehetővé teszi kisebb induktivitások, kondenzátorok és transzformátorok használatát, ami a teljes méret és a tömeg csökkenését eredményezi.

A GaN FET-eket nagy elektronmobilitású tranzisztoroknak (HEMT, high electron mobility transistor) nevezik. A nagy elektronmozgékonyság a FET szerkezeti felépítésének függvénye (1. ábra).

1. ábra: Egy Si hordozón alapuló GaN FET keresztmetszete (kép: Nexperia)

A GaN FET-ek gyártásához a meglévő szilícium-CMOS-gyártó berendezéseket használják, ami gazdaságossá teszi ezeket az eszközöket. A GaN-réteget a Si hordozón (szubsztráton) alakítják ki úgy, hogy a tiszta GaN-réteg növesztése előtt létrehoznak egy magréteget, valamint elválasztórétegként egy több GaN- és AlGaN- (alumínium-gallium-nitrid) rétegből álló (az ábrán nem látható) pufferréteget. A tiszta GaN-réteg fölé egy második AlGaN-réteg kerül. Ez piezoelektromos polarizációt hoz létre, és közvetlenül az AlGaN réteg alatt többletelektronok keletkeznek, ami egy erősen vezető csatornát alkot. Ezt az elektronfelesleget kétdimenziós elektrongáznak (2DEG) nevezik. Az elnevezés az erre a rétegre jellemző nagyon nagy elektronmozgékonyságot tükrözi.

A kapu (gate) alatt egy kiürítéses régió alakul ki. A kapu működése hasonló egy n-csatornás, növekményes üzemmódú szilícium MOSFET-éhez. Az eszközt a kapujára adott pozitív feszültség nyitja (kapcsolja be).

Nagy teljesítményű eszközök esetében ez a szerkezeti felépítés többször megismétlődik. A végeredmény egy alapvetően egyszerű, elegáns, gazdaságos megoldás nagy teljesítmények kapcsolására.

Nagyobb feszültségű eszközök kialakításához megnövelik a nyelő (drain) és a kapu (gate) közötti távolságot. Mivel a GaN 2DEG (kétdimenziós elektrongáz) fajlagos ellenállása nagyon kicsi, a maximális zárófeszültség növelésének az ellenállásra gyakorolt hatása sokkal kisebb, mint a szilíciumeszközök esetében.

A GaN FET-ek kétféle kialakításúak lehetnek: növekményes és kiürítéses üzemmódúak. A növekményes üzemmódú FET-ek alaphelyzetben lezárt állapotúak (azaz szakadásként viselkednek, ami a mechanikus kapcsolók nyitott helyzetének felel meg), ezért a FET kinyitásához a kapura a nyelőhöz (drain) vagy a forráshoz (source) képest pozitív feszültséget kell kapcsolni. A kiürítéses üzemmódú FET-ek alaphelyzetben nyitottak (azaz rövidzárként viselkednek, ami a mechanikus kapcsolók zárt helyzetének felel meg), ezért a FET lezárásához a kapura a nyelőhöz vagy a forráshoz képest negatív feszültséget kell kapcsolni. A kiürítéses üzemmódú FET-ek használata az energiaellátó rendszerekben problémás, mert a kiürítéses üzemmódú GaN FET kapujára a rendszer bekapcsolása előtt negatív előfeszítést kell adni.

A probléma egyik megoldási módja az, hogy egy kisfeszültségű szilícium FET-et kaszkódkapcsolásba kötnek a kiürítéses üzemmódú GaN FET-tel (2. ábra).

2. ábra: Ha egy kisfeszültségű szilícium MOSFET-et kaszkódkapcsolásba kötünk egy kiürítéses üzemmódú GaN FET-tel, az eredményül kapott áramkör a Si kapukialakítás robusztusságát ötvözi a GaN eszköz jobb nagyfeszültségű kapcsolási jellemzőivel, valamint – kiürítéses üzemmódú GaN FET esetén – azt, hogy bekapcsoláskor az így kapott eszköz lezárt állapotba kerül (kép: Nexperia)

A kaszkódkapcsolás a Si MOSFET kapuját használja a vezérléshez, aminek az az előnye, hogy a meglévő MOSFET-kapuvezérlő IC-khez igazodó magasabb kapuvezérlési határértékeket tesz lehetővé, a kiürítéses üzemmódú GaN FET pedig az eszköz bekapcsolásakor lezár.

A GaN FET-ek egyik legfontosabb jellemzője a kiváló hatásfok. Ennek okai: a kis soros ellenállás, ami csökkenti a vezetési veszteségeket, a rövidebb kapcsolási idő, ami csökkenti a kapcsolási veszteségeket, valamint a kisebb záróirányú töltésmennyiség, aminek következtében az ilyen eszközöknek kicsik a záróirányú áram miatti veszteségeik.

Egy egyszerű félhidas feszültségnövelő feszültségszabályozó áramkört használva össze lehet hasonlítani a GaN FET-ek és a Si MOSFET-ek hatásfokát (3. ábra).

3. ábra: A képen egy olyan félhidas feszültségnövelő feszültségszabályozó kapcsolási rajza látható, amelyet a MOSFET-ek és a GaN FET-ek hatásfokának összehasonlítására használnak a Q1 és Q2 tranzisztor egyik típusról a másikra történő cseréjével (kép: Nexperia)

A feszültségnövelő feszültségszabályozó bemenőfeszültsége 240 V, a kimenőfeszültség 400 V, a kapcsolási frekvencia pedig 100 kHz. A hatásfokok és veszteségek 3500 W-ig terjedő teljesítménytartományban lettek összehasonlítva (4. ábra).

4. ábra: Az ugyanazon áramkörbe beillesztett GaN FET-ek és MOSFET-ek hatásfokának és teljesítményveszteségének összehasonlítása a GaN FET-ek előnyeit mutatja (kép: Nexperia)

A GaN FET-ek hatásfoka mintegy 20%-kal jobb, mint a MOSFET-eké, a teljesítményveszteség pedig körülbelül a harmadára csökken. 2000 W teljesítménynél a MOSFET-ek vesztesége körülbelül 62 W, a GaN FET-eké viszont csak 19 W. Ez azt jelenti, hogy kisebb lehet a hűtőrendszer, ezáltal javul a feszültségnövelő feszültségszabályozó térfogati hatásfoka.

Kevésbé szembeötlő az a tény, hogy a GaN FET esetében a mérést csaknem 3500 W-ig végezték el annak nagyobb maximális feszültséghatára miatt. Ezek miatt a GaN FET egyértelmű előnyben van.

GaN eszközök használata nagyobb feszültségekhez

Nagyobb feszültségű készülékekhez a Nexperia két 650 V-os GaN FET-et kínál, a GAN063-650WSAQ és a GAN041-650WSBQ típust. Mindkettő alaphelyzetben lezárt állapotú n-csatornás FET. A GAN063-650WSAQ névlegesen 650 V-os maximális nyelő–forrás feszültséget tud kezelni, és 800 V (egy milliomod-másodpercnél – μs – rövidebb impulzusszélességű) tranziensfeszültséget képes elviselni. A névlegesen nyelőárama 25 °C-on 34,5 A, a névleges teljesítményvesztesége 143 W. A nyelő és a forrás közötti nyitóirányú ellenállás jellemzően 50 mΩ, ennek felső határértéke 60 mΩ.

A GAN041-650WSBQ legnagyobb nyelő–forrás feszültsége ugyanúgy 650 V, és a tranziensállósága is ugyanúgy 800 V. Abban különbözik a másik GaN FET-től, hogy szobahőmérsékleten maximum 47,2 A nyelőáramot képes kezelni, és 187 W a legnagyobb teljesítményvesztesége. Jellemző csatorna-ellenállása (nyitóirányú ellenállása) 35 mΩ, maximum 41 mΩ.

Az 5. ábrán a Nexperia egyik referenciaterve látható, amely félhidas kapcsolásban használja a GAN063-650WSAQ FET-eket.

5. ábra: Egy GAN063-650WSA GaN FET-eket használó félhidas teljesítményfokozat ajánlott kapcsolása. A kapcsolási rajz csak a FET-vezérlőt és a félhidas kimeneti fokozatot, valamint a kapcsolódó alkatrészeket mutatja (kép: Nexperia)

A kapcsolási rajzon a Si8230 magas- és alacsonyoldali leválasztott kettős kapuvezérlő IC látható, amely a GaN FET-ek kapujának vezérlésére szolgál. A kapuvezérlő kimenete egy 30 Ω-os kapuellenálláson keresztül kapcsolódik a kapuhoz, ilyen ellenállásra minden GaN eszköz esetében szükség van. A kapuellenállás szabályozza a kapukondenzátor töltési idejét, ami befolyásolja a dinamikus kapcsolási teljesítményt. A FET-ek nyelője és forrása közötti RC áramkörök szintén segítenek a kapcsolási teljesítmény szabályozásában. A GaN FET-ek kapuvezérlési szintje 0 és 10–12 V között van.

A GaN FET-ek nagy kapcsolási sebessége (jellemzően kb. 10–11 ns) gondos áramköri alkatrész-elrendezést igényel a parazitainduktivitás minimálisra csökkentése érdekében, valamint RC csillapító áramkörök használatát a feszültség- és áramtranziensek miatti lengések csillapítására. Az ábrán szereplő kapcsoláson több RC csillapító áramkör (R17–R19 és C33–C35) is látható a tápfeszültség és a test között. A csillapító áramkörök csökkentik a GaN FET és a megkerülő áramkör kölcsönhatása miatt létrejövő lengéseket. A csillapító áramköröket a magasoldali FET nyelőjéhez a lehető legközelebb kell bekötni. A csillapító áramkörök alkatrészeiként a vezetékek induktivitásának minimálisra csökkentése érdekében felületszerelt ellenállásokat és kis egyenértékű soros ellenállású (ESR) kerámiakondenzátorokat használnak.

Az R₄, D₁, C₁₂ és C₁₃ alkatrészek alkotta áramkör a magasoldali kapuvezérlő feszültség-utánhúzó áramellátására szolgál. A D₁ jelű alkatrésznek egy gyors, kis kapacitású diódának kell lennie, mivel a p-n átmenetének a kapacitása hozzájárul a kapcsolási veszteséghez. Az R₄ ellenállás a bekapcsolási töltőáramot korlátozza, ide 10 Ω és 15 Ω közötti értékű ellenállás a megfelelő.

Összegzés

Az áramátalakítás jobb hatásfoka és fajlagos teljesítménye iránti igény a villanyjárművektől kezdve a kommunikáción át az ipari infrastruktúrákig megköveteli a hagyományos Si-alapú eszközökről való áttérést. Amint látható, a GaN FET-ek a következő generációs eszközök számára a magasabb üzemi feszültségek, a rövidebb kapcsolási idők és a nagyobb hatásfok révén előrelépést jelentenek. A készletről beszerezhető alkatrészek, amelyekhez egyes esetekben referenciatervek is elérhetőek, segítik a tervezőket a projektek gyors megvalósításában.