ADI-GaN-strømkomponenter og -verktøy er en drivkraft for nye konstruksjonsmuligheter

Halvledere av galliumnitrid (GaN) har kommet langt siden de først ble kommersielt levedyktige som svært lyssterke, blå lysemitterende dioder (LED-er) tidlig på 1990-tallet, og deretter en kjerneteknologi for optiske Blu-ray-diskspillere. Det tok nesten to tiår før teknologien var kommersielt levedyktig for felteffekttransistorer (FET) med høy energivirkningsgrad.

GaN representerer nå et av de raskest voksende segmentene i halvlederindustrien, med sammensatte årlige vekstanslag som varierer fra 25 % til 50 %, drevet av etterspørselen etter enheter med høyere energivirkningsgrad for å møte mål tilknyttet bærekraft og elektrifisering.

GaN-transistorer kan brukes til å utvikle mindre, mer effektive enheter enn silisiumtransistorer. Stordriftsfordelene i GaN-produksjon ble opprinnelig brukt for mikrobølgeforsterkersystemer med høy effekt, og muligheten til å lage små, kraftigere forsterkere utvidet bruken for å skape et enhetsmarked med flere milliarder dollar i verdi, som spenner over forbruker-, industri- og militærkonstruksjoner.

Silisium-MOSFET-er antas å ha nådd sine teoretiske grenser for kraftelektronikk, mens GaN-FET-er fortsatt har stort potensial for ytterligere ytelsesfremskritt. GaN-halvledere bruker vanligvis substrater av silisiumkarbid (SiC), etterfulgt av silisium, som er mer økonomisk, eller diamant, som har best ytelse og høyest pris. GaN-enheter fungerer ved høyere temperaturer med høyere elektronmobilitet og -hastighet enn silisiumbaserte enheter, og de har lav eller ingen sperreforsinkelsesladning.

GaN-effekthalvledere har omtrent fem ganger så høy effekttetthet som effektforsterkerhalvledere av galliumarsenid (GaAs). Med en energivirkningsgrad på 80 % eller mer, gir GaN-halvledere overlegen virkningsgrad, båndbredde og effektivitet sammenlignet med alternativer som GaAs og lateralt diffunderte metalloksidhalvledere (LDMOS – laterally diffused metal-oxide semiconductor). Teknologien brukes nå i ulike konstruksjoner, som varierer fra hurtigladende strømadaptere til enheter for lysdeteksjon og avstandsmåling (LiDAR – light detection and ranging) som er integrert i avanserte førerassistentsystemer (ADAS – advanced driver assistance systems) for biler.

Datasentre representerer et annet fremvoksende marked for GaN-baserte enheter som kan møte økende krav til strømforbruk og kjøling for å gi lavere kostnader, samt bidra til å løse det økende antallet miljøtvister som operatører står overfor på regulatoriske og politiske arenaer.

Halvlederprodusenter og markedsundersøkelsesfirmaer estimerer også et voksende marked for lav- og høyspenningskonstruksjoner i elbiler, fra mer effektive batterier til batteridrevne trekkraftinvertere.

Dette er et område som til dags dato har vært dominert av SiC-enheter, som, i likhet med GaN, er klassifisert som halvledere med bred båndavstand (WBG – wide-bandgap) og høy elektronmobilitet som «gjør det mulig for elektroniske komponenter å være mindre, raskere, mer pålitelige og mer effektive enn sine silisiumbaserte (Si-baserte) motparter».GaN har en båndavstand på 3,4 eV, sammenlignet med 2,2 eV for SiC og 1,12 eV for SI.

GaN- og SiC-effekthalvledere er virksomme ved høyere frekvenser og har raskere vekslingshastigheter og lavere konduksjonsmotstand enn silisium. SiC-enheter kan fungere ved høyere spenninger, mens GaN-enheter gir raskere veksling med lavere energi, noe som gjør det mulig for konstruktører å redusere størrelsen og vekten. SiC kan støtte opptil 1200 volt, mens GaN vanligvis har blitt sett på som mer egnet for opptil 650 volt. Enheter med høyere spenning har imidlertid nylig blitt introdusert.

GaN kan gi omtrent 10 ganger frekvensområdeeffekten sammenlignet med GaAs og andre halvledere (figur 1).

Figur 1: Sammenligning av kraftelektronikk for mikrobølgefrekvensområdet. (Bildekilde: Analog Devices, Inc.)

Konstruksjonsfaktorer

Det anslås at 70 % eller mer av den elektriske energien som forbrukes over hele verden, behandles av kraftelektronikk. Med WBG-egenskapene til GaN kan konstruktører lage mindre kraftelektronikksystemer med høyere effekttetthet, overlegen virkningsgrad og svært raske vekslingshastigheter.

Teknologien muliggjør innovasjon i flere markeder, blant annet kraftelektronikk, bilindustrien, solenergilagring og datasentre. GaN-enheter er svært motstandsdyktige mot stråling og er godt egnet for nye militære og romfartsrelaterte bruksområder.

Noen elektronikkonstruktører har gått bort fra GaN-halvledere på grunn av feiloppfatninger om materialkostnader. Selv om produksjonen av GaN-substratet opprinnelig var mye høyere enn Si, har forskjellen blitt betydelig redusert, og bruken av forskjellige substrater gir konstruktører muligheten til å finne det beste kompromisset mellom kostnader og ytelse.

GaN-on-SiC tilbyr det bredeste markedspotensialet for konstruktører med det beste kompromisset mellom kostnader og ytelse. Med «GaN-on-Si»- og «GaN-on-diamond»-alternativene kan imidlertid produktkonstruktører velge det mest hensiktsmessige substratet for å imøtekomme pris-/ytelsesbehovene til relevante organisasjoner og kunder.

På grunn av de svært høye vekslingshastighetene til GaN, må konstruktører være spesielt oppmerksomme på elektromagnetisk interferens (EMI) og hvordan dette kan reduseres i oppsettet til strømsløyfen. Aktive gate-drivere, som er avgjørende for å forhindre spenningsoverskridelse, kan redusere EMI fra ikke-lineære bølgeformer (switching waveforms).

Et annet viktig konstruksjonsproblem er parasittinduktansen og -kapasitansen, som kan resultere i falsk utløsning. Maksimering av ytelsesfordeler avhenger av den optimale layouten av de laterale og vertikale strømsløyfene og samsvaring av hastigheten til driveren med hastigheten til enheten.

Konstruktører må også optimalisere varmestyring for å forhindre overdreven oppvarming, som kan kompromittere ytelsen og påliteligheten. Kapslingen bør evalueres etter dens evne til å redusere induktanser og avlede varme.

Analog Devices kjøper inn GaN-effektforsterkere

Elektroniske systemer krever konvertering mellom spenningen til strømforsyningen og spenningen til kretsene som skal strømsettes. Halvlederselskapet Analog Devices, Inc. (ADI), som har vært leder i mange år, har som mål å levere industriledende GaN-effektforsterkerytelse og tilknyttet støtte, noe som vil gjøre det mulig for konstruktører å oppnå de høyeste ytelsesmålene og få løsningene sine raskere ut på markedet.

Gate-drivere og spenningsreduserende (også kalt buck) styringer er avgjørende for å maksimere fordelene til GaN-sterkstrømsapparater. Halvbro-GAN-drivere forbedrer vekslingsytelsen og den generelle virkningsgraden til strømsystemer. DC–DC-reduksjonsomformere (buck) konverterer en høyere inngangsspenning til en lavere utgangsspenning.

ADI tilbyr LT8418, en 100 V halvbro-GaN-driver som integrerer øvre og nedre drivertrinn, driverlogikkstyring, vern og en bootstrap-bryter (figur 2). Den kan konfigureres til synkron spenningsreduserende (buck) halvbro-topologi eller spenningsøkende (boost) halvbro-topologi. Gate-drivere med delt utgang justerer stigehastigheter for inn- og utkobling for GaN-FET-er for å optimalisere EMI-ytelsen.

Figur 2: Skjema over ADIs LT8418 GAN-baserte ikke-lineære (switching) DC–DC-omformer. (Bildekilde: Analog Devices, Inc.)

ADI GaN-driverinnganger og -utganger har en standard lav-tilstand for å forhindre falsk innkobling av GaN-FET-er. Med en rask forplantningsforsinkelse på 10 ns, kombinert med en forsinkelsestilpasning på 1,5 ns mellom de øvre og nedre kanalene, er LT8418 egnet for høyfrekvente DC–DC-omformere, motordrivere, klasse-D-lydforsterkere, datasenter-strømforsyninger og et bredt utvalg av relevante bruksområder på tvers av forbruker-, industri- og bilmarkeder.

LTC7890 og LTC7891 (figur 3) er høyeffekts, henholdsvis doble og enkle, spenningsreduserende ikke-lineære DC-til-DC-regulatorer som driver N-kanals synkrone GaN-FET-effekttrinn fra inngangsspenninger på opptil 100 V. Disse styringene tar sikte på å løse mange av utfordringene som konstruktører står overfor ved å bruke GaN-FET-er, og de forenkler utformingen av konstruksjoner siden de ikke krever beskyttelsesdioder eller andre ekstra eksterne komponenter som vanligvis brukes i silisium-MOSFET-løsninger.

Figur 3: ADIs step-down-regulator LTC7891. (Bildekilde: Analog Devices, Inc.)

Hver styring gir konstruktører muligheten til å justere gate-driverens spenning nøyaktig, fra 4 V til 5,5 V, for å optimalisere ytelsen og muliggjøre bruken av forskjellige GaN-FET-er og MOSFET-er på logikknivå. Interne smart bootstrap-vekslere ( bootstrap switches) forhindrer overlading av BOOSTx-pinnen til SWx-pinnens høysidedriverforsyninger (en side koblet til jord) under dødtider, dem beskytter gaten til den øverste GaN-FET-en.

Begge komponentene optimaliserer gate-driverens timing internt på begge vekslingskantene for å oppnå nesten null dødtid, noe som forbedrer virkningsgraden og muliggjør høyfrekvent drift. Konstruktører kan også justere dødtid med eksterne motstander. Enhetene er tilgjengelige med loddbare kanter i firedoble flate kapslinger uten leder (QFN – quad flat no-lead). Skjemaet illustrerer typiske konstruksjonskretser med konfigurasjoner med 40 ledere som er 6 mm x 6 mm, LTC7890 (figur 4), og 28 ledere som er 4 mm x 5 mm, LTC7891 (figur 5).

Figur 4: Skjema over en typisk konstruksjonskrets med ADIs LTC7890. (Bildekilde: Analog Devices, Inc.)

Figur 5: Skjema over en regulator som senker spenningen (step-down-regulator) ved å bruke ADIs LTC7891 med 28 ledere. (Bildekilde: Analog Devices, Inc.)

Konstruktører kan også dra nytte av et sortiment av ADI-strømstyringsverktøy for å oppnå ytelsesmålene til strømforsyningen og optimalisere kort. Verktøysettet inkluderer en kalkulator for en spenningsreduserende variabel motstand, en signalkjedestrømkonfigurator og et Windows-basert utviklingsmiljø.

Konklusjon

GaN er et transformativt halvledermateriale som brukes til å produsere komponenter med høy effekttetthet, svært raske vekslingshastigheter og overlegen energiyteevne. Produktutviklere kan dra nytte av ADIs GaN-FET-gatedriverprodukter for å lage mer pålitelige og effektive systemer med færre komponenter, noe som resulterer i mindre systemer med redusert fysisk størrelse og vekt.