Энергоэффективность является приоритетом для современных электронных устройств. В частности, для транспортных, строительных и промышленных приборов эффективность преобразования энергии и удельная мощность источников питания имеют решающее значение.
Основы технологии GaN
Чтобы удовлетворить такие требования, разработчики импульсных схем питания все больше отказываются от использования классических кремниевых MOSFET и IGBT транзисторов, поскольку они не могут сбалансировать производительность, стоимость и требуемую надежность в одном изделии. Вместо этого появляются полупроводники, изготовленные из материалов с широкой запрещенной зоной (WBG), таких как нитрид галлия (GaN). Эти элементы переключают сигналы быстрее чем кремниевые версии, имеют более высокие номинальные значения напряжения и тока, намного меньше по сравнению с версиями с эквивалентными уровнями мощности и работают с гораздо более высоким КПД.
Основными элементами схем преобразования энергии являются высоковольтные полупроводниковые ключи. На практике это в основном транзисторы FET и IGBT. Повышение эффективности преобразования достигается за счет снижения их потерь проводимости, то есть за счет низкого сопротивления в открытом состоянии, снижения коммутационных потерь, повышения скорости переключения, чтобы транзистор не работал в линейной области при переходах состояний, и уменьшения паразитных эффектов. Эти требования применимы ко всем транзисторам, включая кремниевые MOSFET и IGBT, но с той технологией скорость улучшения замедляется, поскольку многие мощные кремниевые компоненты достигают своих теоретических пределов производительности.
В последние несколько лет на рынке появилось много силовых компонентов изготовленных из карбида кремния (SiC) и нитрида галлия (GaN). Они работают при более высоких рабочих напряжениях, имеют меньшее время переключения и источники питания на их основе обладают более высоким КПД.
Si против GaN и SiC
Ширина запрещенной зоны в полупроводниках определяет минимальную энергию, необходимую для возбуждения электронов и перехода в свободное состояние. Свободные электроны являются носителями заряда и поэтому проводят электричество.
Транзисторы из широкозонных полупроводников способны работать при гораздо более высоких напряжениях, частотах и температурах, чем их кремниевые аналоги. Более высокие значения критического электрического поля и большая подвижность электронов приводят к низкому сопротивлению сток-исток в состоянии RDS(ON), что снижает потери проводимости. Большинство материалов с широкой запрещенной зоной также характеризуются высокой подвижностью свободных электронов, что позволяет им быстрее переключаться между состояниями проводимости и отсечки.
По сравнению с кремнием, имеющим энергетическую щель 1,12 эВ, GaN и SiC являются полупроводниками, у которых этот параметр примерно в три раза больше: 3,4 эВ. Это означает что оба материала могут обеспечивать более высокое рабочее напряжение и работать с более высокой частотой переключения.
Повышенная подвижность электронов в GaN делает этот материал гораздо более подходящим для высокопроизводительных устройств. Более высокие скорости переключения и рабочие частоты, характерные для мощных полевых транзисторов на основе GaN, обеспечивают лучшее управление сигналом, меньшие размеры фильтров на выходе источника питания, лучшую динамику и меньшие пульсации тока. Это позволяет использовать катушки индуктивности, конденсаторы и трансформаторы меньшего размера, что выступает путём к миниатюризации всего устройства. Из-за высокой подвижности электронов GaN FET-транзисторы называются HEMT (транзисторы с высокой подвижностью электронов).
GaN FET-транзисторы производятся на тех же производственных линиях, где делают кремниевые КМОП-полупроводники, благодаря чему их цена не высока. Полупроводниковый слой GaN осаждается на подложке Si в виде сложной структуры, состоящей из затравочного слоя, а затем градиентного слоя GaN, между которыми находится изолирующий слой затвора из нитрида алюминия-галлия (AlGaN). Это также облегчает рост чистого слоя GaN. Другой слой AlGaN осаждается поверх слоя GaN. Это позволяет выполнить поляризацию и активацию канала, где избыточные электроны появляются непосредственно под AlGaN и создают канал с высокой проводимостью. Эти избыточные электроны также известны как двумерный электронный газ (2DEG). Такое название отражает очень высокую подвижность электронов в том слое.
Под затвором создается область обеднения, благодаря которой работа транзистора аналогична работе n-канального кремниевого силового МОП-транзистора в режиме обогащения канала. Это означает, что положительное напряжение, приложенное к затвору, включает его. Затем данная элементарная структура повторяется много раз, чтобы создать мощный элемент. Конечным результатом является простой и экономичный компонент переключения питания.
Для получения элемента с большим номинальным напряжением увеличивают расстояние между стоком и затвором. Поскольку удельное сопротивление площади, занимаемой 2DEG, очень мало, высокое максимальное напряжение транзистора не вызывает такого большого увеличения сопротивления проводимости, как в кремниевых элементах.
Низковольтный кремниевый MOSFET в каскодной конфигурации с полевым транзистором с обеднением GaN сочетает в себе драйверные преимущества кремниевого элемента с вольтажными и коммутационными свойствами GaN, а также обеспечивает его надежное состояние отсечки после включения питания.
GaN FET транзисторы изготавливаются двух типов: с обогащением или с обеднением канала. Первые обычно выключены, поэтому для включения такого транзистора на затвор необходимо подать положительное напряжение относительно истока. Транзисторы канала обеднения, напротив, нормально включены, поэтому для их выключения на затвор необходимо подать отрицательное напряжение относительно истока.
Версии истощения проблематичны, потому что они должны быть снабжены отрицательным напряжением смещения перед включением всего устройства, чтобы иметь стабильное состояние. Одним из способов решения этой проблемы является объединение низковольтного кремниевого полевого транзистора с полевым транзистором с истощением GaN в каскодной конфигурации. Такая схема сочетает в себе преимущество кремниевого МОП-транзистора, заключающееся в способности управлять большим током цепи затвора, с тем фактом, что полевой транзистор с обедненным галлием выключается при включении питания.
Одной из ключевых особенностей полевых транзисторов GaN является их высокая эффективность благодаря низкому последовательному сопротивлению в открытом состоянии, что снижает потери проводимости. Они также имеют более короткое время переключения, что снижает коммутационные потери, и обеспечивают меньшее накопление заряда – это обуславливает их низкие потери мощности при восстановлении блокирующей способности. Далее упрощенная схема полумостового повышающего преобразователя для сравнения эффективности кремниевых и GaN-транзисторов.
Сравнение эффективности полевых транзисторов GaN и Si MOSFET проще всего проанализировать, используя типичную полумостовую топологию повышающего преобразователя. Он питается от сети 220 В, обеспечивает выходное напряжение 400 В и имеет частоту коммутации 100 кГц. Эффективность работы и потерь определены для мощности до 3500 Вт.
Транзисторы GaN обеспечивают примерно на 20% лучший КПД, а потери мощности примерно в 3 раза ниже. При нагрузке 2000 Вт кремниевые МОП-транзисторы имеют потери около 62 Вт, а GaN-транзисторы только 19 Вт. Значит и систему отвода тепла можно сделать меньше, обеспечив более высокую удельную мощность. Причём для GaN FET были проведены испытания до 3500 Вт, а кремниевые элементы этого уровня не обеспечили из-за более низкого номинального напряжения. Здесь полевые транзисторы GaN FET также имеют определенное преимущество.
Высокое напряжение с GaN
Для высоковольтных устройств предлагаются транзисторы на 650 В, например: GAN063-650WSAQ и GAN041-650WSBQ. Оба являются n-канальными полевыми транзисторами, нормально выключенными (расширенный канал). GAN063-650WSAQ может выдерживать 800 В менее чем за микросекунду и имеет номинальный ток 34 А. Транзистор может рассеивать 143 Вт при комнатной температуре и имеет сопротивление сток-исток в открытом состоянии 50 мОм.
Второй GAN041-650WSBQ также имеет максимальное номинальное напряжение сток-исток 650 В и способен выдерживать 800 В скачков напряжения длительностью 1 мкс. Отличие в том, что он указан для тока 47 А и мощности 187 Вт. Его типичное сопротивление канала составляет 35 мОм. С этими компонентами связан эталонный проект полумостового силового каскада, показанный на рисунке далее.
Тут используется специализированный драйвер затвора Si8230 с гальванической развязкой. Его выход подключен к затвору силового транзистора через резистор сопротивлением 30 Ом, определяющий время заряда емкости затвор-исток и ток в цепи управления, влияющий на коммутационную динамику. Резистивно-емкостные демпфирующие элементы между стоком и истоком необходимы для подавления колебаний при переключении. Напряжение управления затвором находится в диапазоне от 0 до 12 В.
Высокая скорость переключения транзисторов GaN FET (обычно около 10 нс) требует тщательной компоновки печатной платы для минимизации паразитных индуктивностей и использования RC-демпферов для подавления колебаний, возникающих на фронтах коммутируемых сигналов напряжения. В показанной конструкции есть много таких RC-подавителей, а также цепи 10 Ом – 10 нФ, расположенные между шиной высокого напряжения и землей (R17–19 и C33–35). Их следует подключать как можно ближе к стоку для верхнего транзистора. В элементах подавления помех используются SMD-резисторы с низким эффективным последовательным сопротивлением (ESR) и керамические конденсаторы с низкими паразитными индуктивностями.
Цепь R4, D1, C12 и C13 представляет собой типичное решение для бутстрапного источника питания, обеспечивающее вспомогательное напряжение питания для драйвера затвора верхнего плеча. Диод D1 должен быть быстродействующим с малой емкостью, так как емкость его перехода способствует потерям при переключении. Резистор R4 ограничивает пусковой ток заряда пускового конденсатора до безопасного значения.
В общем необходимость обеспечения эффективного источника питания при малых габаритах и высокой выходной мощности четко прослеживается сегодня во многих отраслях, от электромобилестроения до связи и промышленной инфраструктуры. Обеспечение такой функциональности часто требует отхода от классических кремниевых элементов. И полевые транзисторы GaN открывают новые возможности, работая при более высоких рабочих напряжениях, с более коротким временем переключения и высоким КПД.