ADI GaN-effektkomponenter og -værktøjer giver nye designmuligheder

Halvledere af galliumnitrid (GaN) er kommet langt, siden de først blev kommercielt holdbare som meget lysstærke, blå lysdioder (LED'er) i begyndelsen af 1990'erne og efterfølgende som en kerneteknologi til Blu-ray optiske diskafspillere. Der skulle gå næsten to årtier, før teknologien var kommercielt holdbar til felteffekttransistorer (FET'er) med høj energieffektivitet.

GaN repræsenterer nu et af de hurtigst voksende segmenter i halvlederindustrien med en akkumuleret årlig vækst på mellem 25 % og 50% drevet af efterspørgslen efter enheder med større energieffektivitet for at opfylde målene for bæredygtighed og elektrificering.

GaN-transistorer kan bruges til at designe mindre, mere effektive enheder end siliciumtransistorer. GaN blev oprindeligt brugt til mikrobølgeforstærkersystemer med høj effekt, men stordriftsfordelene ved GaN-fremstilling og muligheden for at skabe små, mere kraftfulde forstærkere har udvidet brugen og skabt et marked for enheder til flere milliarder dollars, der spænder over forbruger-, industri- og militæranvendelser.

Det er en udbredt opfattelse, at silicium-MOSFET'er har nået deres teoretiske grænser inden for effektelektronik, mens GaN-FET'er stadig har et stort potentiale for yderligere præstationsfremskridt. GaN-halvledere bruger oftest siliciumcarbid (SiC)-substrater efterfulgt af silicium, som er mere økonomisk, eller diamant, som er det mest effektive og dyreste. GaN-enheder fungerer ved højere temperaturer med højere elektronmobilitet og -hastighed end siliciumbaserede enheder og med lav eller nul omvendt-genopladningsladning.

GaN-effekthalvledere har ca. fem gange så høj effekttæthed som effektforstærkerhalvledere af galliumarsenid (GaAs). Med en energieffektivitet på 80 % eller mere giver GaN-halvledere overlegen effekt, båndbredde og effektivitet i forhold til alternativer som GaAs og lateralt diffunderede metal-oxid-halvledere (laterally diffused metal-oxide semiconductors/LDMOS). Teknologien bruges nu i forskellige applikationer lige fra strømadaptere til hurtig opladning, til lysdetekterings og afstandsmålings (Light Detection and Ranging/LiDAR)-enheder, der er integreret i avancerede førerassistentsystemer (ADAS) til biler.

Datacentre er et andet voksende marked for GaN-baserede enheder, der kan opfylde stigende krav til strømforbrug og køling til lavere omkostninger, samt hjælpe med at løse voksende miljøkonflikter, som operatører står over for i regulatoriske og politiske arenaer.

Halvlederproducenter og markedsanalysefirmaer forudser også et voksende marked for lav- og højspændingsanvendelser i elektriske køretøjer fra mere effektive batterier til invertere for batteridrevne køretøj.

Det er et område, der hidtil har været domineret af SiC-enheder, der ligesom GaN er klassificeret som halvledere med høj elektronmobilitet med bred båndgap (wide-bandgap/WBG), der "gør det muligt for effektelektroniske komponenter at være mindre, hurtigere, mere pålidelige og mere effektive end deres silicium (Si)-baserede modstykker."GaN har et båndgab på 3,4 eV sammenlignet med 2,2 eV for SiC og 1,12 eV for SI.

GaN og SiC-effekthalvledere arbejder ved højere frekvenser og har hurtigere koblingshastigheder og lavere ledningsmodstand end silicium. SiC-enheder kan fungere ved højere spændinger, mens GaN-enheder giver hurtigere skift med lavere energi, hvilket gør det muligt for designere at reducere størrelse og vægt. SiC kan understøtte op til 1.200 volt, mens GaN generelt er blevet betragtet som mere egnet til op til 650 volt, selvom enheder med højere spænding for nylig er blevet introduceret.

GaN kan levere ca. 10 gange så meget effekt i frekvensområdet sammenlignet med GaAs og andre halvledere (figur 1).

Figur 1: sammenligning af effektelektronik i mikrobølgefrekvensområdet. (Kilde: Analog Devices, Inc.)

Designovervejelser

Det anslås, at 70 % eller mere af den elektriske energi, der forbruges på verdensplan, behandles af effektelektronik. Med GaN's WBG-egenskaber kan designere skabe mindre effektelektroniske systemer, der udnytter højere effekttæthed, overlegen effektivitet og ultrahurtige koblingshastigheder.

Teknologien muliggør innovation på flere markeder, bl.a. effektelektronik, bilindustrien, lagring af solenergi og datacentre. GaN-enheder er meget modstandsdygtige over for stråling og er derfor velegnede til nye militære-, luft- og rumfartsanvendelser.

Nogle elektronikdesignere har måske holdt sig væk fra GaN-effektenheder på grund af misforståelser om materialepriserne. Selvom fremstillingen af GaN-substrater oprindeligt var meget dyrere end Si er denne forskel blevet betydeligt mindre, og brugen af forskellige substrater giver designerne mulighed for at finde det bedste kompromis mellem omkostninger og ydeevne.

GaN-på-SiC tilbyder det bredeste markedspotentiale for designere med den bedste afvejning af omkostninger og ydeevne. Men med mulighederne for GaN-på-Si og GaN-på-diamant kan produktdesignere vælge det mest passende substrat til at opfylde deres organisationers og kunders behov for pris/ydelse.

På grund af GaNs meget høje koblingshastigheder skal designerne være særligt opmærksomme på elektromagnetisk interferens (EMI), og hvordan den kan afbødes i effektkredsløbets layout. Aktive gate-drivere, som er afgørende for at forhindre spændingsoverskridelse, kan reducere EMI fra switching-kurveformer.

Et andet vigtigt designproblem er den parasitisk induktans og kapacitans, der kan resultere i falsk udløsning. Maksimering af ydelsesfordelene afhænger af det optimale layout af de laterale og vertikale effektkredsløb og af at matche driverens hastighed med enhedens hastighed.

Designere skal også optimere den termiske styring for at forhindre overdreven opvarmning, der kan kompromittere ydeevne og pålidelighed. Emballagen skal vurderes ud fra dens evne til at reducere induktans og bortlede varme.

Analog Devices leverer GaN-effektforstærkere

Elektroniske systemer kræver konvertering mellem spændingen i energiforsyningen og spændingen i det kredsløb, der skal forsynes med strøm. Den mangeårige, førende halvledervirksomhed Analog Devices, Inc. (ADI) sigter mod at levere brancheførende GaN-effektforstærkerydelse kombineret med support, så designere kan nå de højeste ydelsesmål og få deres løsninger hurtigere på markedet.

Gate-drivere og step-down (eller buck-) controllere er afgørende for at maksimere fordelene ved GaN-effektenheder. Halv-bro GaN-drivere forbedrer strømsystemers koblingsydelse og deres generelle effektivitet. DC-til-DC-step-down-konvertere konverterer en højere indgangsspænding til en lavere udgangsspænding.

ADI tilbyder LT8418, en 100 V halvbro-GaN-driver, der integrerer øverste og nederste drivertrin, driverlogikstyring, beskyttelse og en bootstrap-switch (figur 2). Den kan konfigureres til synkron halvbro-buck eller -boost-topologi. Split gate-drivere justerer GaN-FET'ernes tænd og sluk stigningshastigheder for at optimere EMI-ydelsen.

Figur 2: principskitse af ADI's LT8418 GAN-baserede DC/DC-switch-konverter. (Kilde: Analog Devices, Inc.)

ADI GaN-driverens ind- og udgange har en standard lav tilstand for at forhindre falsk tænding af GaN FET'er. Med en hurtig udbredelsesforsinkelse på 10 ns og en forsinkelsesmatching på 1,5 ns mellem top- og bundkanalerne er LT8418 velegnet til højfrekvente DC/DC-konvertere, motordrivere, klasse D-audioforstærkere, strømforsyninger til datacentre og en lang række strømanvendelser på tværs af forbruger-, industri- og bilindustrimarkederne.

LTC7890 og LTC7891 (figur 3) er højtydende, henholdsvis dobbelte og enkelte, step-down-DC-til-DC-switch-regulatorcontrollere til at drive N-kanals synkrone GaN-FET-effekttrin fra indgangsspændinger på op til 100 V. Disse controllere har til formål at løse mange af de udfordringer, som designere står over for ved brug af GaN FET'er, og de forenkler anvendelsesdesignet ved ikke at kræve beskyttelsesdioder eller andre ekstra eksterne komponenter, som typisk bruges i silicium MOSFET-løsninger.

Figur 3: ADI's LTC7891 step-down-controller. (Kilde: Analog Devices, Inc.)

Hver controller giver designerne mulighed for præcist at justere gate-driverspændingen fra 4 V til 5,5 V for at optimere ydeevnen og tillade brug af forskellige GaN-FET'er og logikniveau-MOSFET'er. Interne intelligente bootstrap-switche forhindrer overopladning af BOOSTx-benet til SWx-benet høj side driverforsyninger i døde perioder, hvilket beskytter gaten på den øverste GaN FET.

Begge komponenter optimerer internt timingen af gate-driver på begge switching-kanter, så dødtider bliver næsten nul, hvilket forbedrer effektiviteten og giver mulighed for højfrekvens-drift. Designere kan også justere dødtider med eksterne modstande. Enhederne fås med eksponerende terminaler (wettable flanks/WF), i quad flat-no-lead (QFN) -pakker. Skemaer illustrerer typiske anvendelseskredsløb med LTC7890 med 40 ledninger og 6 mm x 6 mm (figur 4) og LTC7891 med 28 ledninger og 4 mm x 5 mm (figur 5).

Figur 4: skematisk oversigt over et typisk anvendelseskredsløb med ADI's LTC7890. (Kilde: Analog Devices, Inc.)

Figur 5: principskitse af en step-down-regulator med ADI's 28-bly LTC7891. (Kilde: Analog Devices, Inc.)

Designere kan også drage fordel af en portefølje af ADI-strømstyringsværktøjer til at opnå ydelsesmål for strømforsyning og optimere printkort. Værktøjssættet inkluderer en beregner til variabel buck-modstand, en effektkonfigurator til signalkæden og et Windows-baseret udviklingsmiljø.

Konklusion

GaN er et transformativt halvledermateriale, der bruges til at fremstille komponenter med høj effekttæthed, ultrahurtige koblingshastigheder og overlegen energieffektivitet. Produktdesignere kan udnytte ADI's GaN-FET-gate-driver-produkter til at skabe mere pålidelige og effektive systemer med færre komponenter, hvilket resulterer i mindre systemer med reducerede fodaftryk og vægt.