Hvorfor og hvordan man anvender GaN felteffekttransistorer til effektive, højere spænding, Switch-Mode Power-applikationer

Strømeffektivitet er en prioritet for elektroniske systemer på grund af både samfundsmæssige og lovgivningsmæssige krav. Især i applikationer, der spænder fra elektriske køretøjer (EV'er) til højspændingskommunikation og industriel infrastruktur, er strømkonverterings effektivitet og effekttæthed afgørende for et vellykket design.

For at opfylde disse krav er designere af switch-mode strømforsyningssystemer nødt til at gå væk fra at bruge klassiske siliciumbaserede metaloxid felteffekttransistorer (MOSFET'er) og bipolære transistorer med isoleret gate (IGBT'er), da de hurtigt nærmer sig deres teoretiske grænser.

I stedet skal designerne overveje enheder baseret på WBG-materialer (wide bandgap) som f.eks. galliumnitrid (GaN). GaN-enheder skifter hurtigere end Si-enheder, kan håndtere højere spændings- og effektniveauer, er meget mindre for et givet effektniveau og fungerer med meget højere effektivitet.

I denne artikel gennemgår vi det grundlæggende om GaN FET'er, deres fordele i forhold til traditionelle Si-enheder i switch-mode strømkredsløb, der introduceres eksempler fra Nexperia og diskuteres deres anvendelse.

Grundlæggende om GaN FET'er

De grundlæggende elementer i strømkonverteringskredsløb er halvlederswitche til høj spænding. Designere har fokuseret på at forbedre disse enheders ydeevne ved at mindske ledningstab ved at reducere seriemodstanden i on-tilstand. Yderligere mindske switch-tab ved at øge overgangshastighederne og reducere parasitære effekter. Disse konstruktionsbestræbelser har generelt været vellykkede for silicium-MOSFET'er og IGBT'er, men forbedringerne er blevet langsommere, efterhånden som driften af disse enheder når deres teoretiske grænser.

Som følge heraf er der i de seneste år blevet introduceret WBG-enheder, der anvender siliciumcarbid (SiC) og GaN, i et omfang, hvor de er nået til volumenproduktion. Disse enheder tilbyder højere driftsspændingsområder, hurtigere switch-tider og højere effektivitet.

En halvleders båndgab er den mindste energi, der kræves for at excitere elektroner, så de frigøres fra deres bundne tilstand til en fri tilstand, så de kan lede elektricitet (tabel 1).

Tabel 1: En oversigt over de vigtigste egenskaber, der adskiller bredbåndsholdere, såsom GaN og SiC, fra Si. (Kilde til tabellen: Art Pini)

Enheder fremstillet med bredbåndsholdere kan fungere ved meget højere spændinger, frekvenser og temperaturer end konventionelle halvledermaterialer som Si. Det bredere båndgab er især vigtigt for at gøre det muligt for enheder at fungere ved meget højere temperaturer. Den høje temperaturtolerance betyder, at disse enheder under normale forhold kan drives ved meget højere effektniveauer. WBG-halvledere med et højere kritisk elektrisk felt og højere mobilitet har den laveste dræn-source modstand i tændt tilstand (R_DS(ON)), hvilket reducerer ledningstabet.

De fleste materialer med bredt båndgab har også høje hastigheder for frie elektroner, hvilket gør det muligt for dem at arbejde ved højere koblingshastigheder.

Sammenlignet med Si, som har et båndgab på 1,12 elektronvolt (eV), er GaN og SiC sammensatte halvledere med båndgab, der er ca. tre gange større, nemlig henholdsvis 3,4 eV og 3,3 eV. Det betyder, at begge kan understøtte højere spændinger og højere frekvenser.

GaN's højere elektronmobilitet gør det meget mere velegnet til højtydende højfrekvente applikationer med høj ydeevne. De hurtigere switch-hastigheder og højere driftsfrekvenser, som GaN power FET'er muliggør, resulterer i forbedret signalstyring, passive filterdesigns med højere cutoff-frekvenser og lavere ripple-strømme. Dette gør det muligt at anvende mindre induktorer, kondensatorer og transformatorer, hvilket resulterer i en reduceret samlet størrelse og vægt.

GaN FET'er kaldes transistorer med høj elektronmobilitet (HEMT). Den høje elektronmobilitet er en funktion af FET-strukturen (figur 1).

Figur 1: Et tværsnit af en GaN FET baseret på et Si-substrat. (Billedkilde: Nexperia)

GaN FET'er udnytter eksisterende CMOS-produktionsfaciliteter i silicium, hvilket gør dem omkostningseffektive. Et GaN-lag dannes på Si-substratet ved at deponere et kimlag og et gradueret lag af GaN og aluminiumgalliumnitrid (AlGaN) som et isoleringslag (ikke vist i diagrammet), før det rene GaN-lag vokser. Et andet AlGaN-lag deponeres oven på GaN-laget. Dette skaber en piezoelektrisk polarisering, hvor der genereres et overskud af elektroner umiddelbart under AlGaN, som er en meget ledende kanal. Dette overskud af elektroner er kendt som en todimensionel elektrongas (2DEG). Navnet afspejler den meget høje elektronmobilitet i dette lag.

Der dannes et dissipationsområde (depletion region) under gaten. Gatens funktion svarer til en N-kanals silicium-MOSFET i forbedringstilstand. En positiv spænding, der lægges på denne enhed, tænder den.

Denne struktur gentages flere gange for at danne en strømforsyningsenhed. Slutresultatet er en grundlæggende enkel, elegant og omkostningseffektiv løsning til strøm-switching.

For at opnå en enhed med højere spænding øges afstanden mellem dræn og gate. Da GaN 2DEG's resistivitet er meget lav, er virkningen på modstanden, ved at øge blokerings-spændingskapaciteten, meget mindre sammenlignet med siliciumkomponenter.

GaN FET'er kan konstrueres til at fungere i en af to konfigurationer, forstærknings-tilstand eller depletion-tilstand. FET'er i forbedrings-tilstand er normalt slukkede, så der skal påføres en positiv spænding i forhold til dræn/kilde på gaten for at tænde FET'en. FET'er med depletion-tilstand er normalt tændt, så der skal påføres en negativ gate-spænding i forhold til drænet/kilden for at slukke for FET'en. FET'er med depletion-tilstand er problematiske i et elsystem, fordi der skal påføres en negativ bias på GaN depletion-tilstand FET'en, før systemet tændes.

En måde at omgå dette problem på er at kombinere en lavspændings-Silicium-FET med en GaN-FET i depletion-tilstand i en kaskode kredsløbskonfiguration (figur 2).

Figur 2: En lavspændings-MOSFET i silicium i en kaskode-konfiguration med en GaN FET med depletion-tilstand resulterer i robustheden af Si-gate strukturen med de forbedrede højspændings-clockningsegenskaber for GaN-enheden, samt at den sammensatte enhed - i tilfælde af en GaN FET med depletion-tilstand er slukket ved opstart af strømmen. (Billedkilde Nexperia)

Kaskodekredsløbet anvender Si MOSFET gate-strukturen, som har fordelene ved at have højere gate-drivergrænser i forhold til eksisterende MOSFET gate-driver-IC'er, og GaN FET'en i depletion-tilstand er slukket ved opstart.

En af de vigtigste egenskaber ved GaN FET'er er deres høje effektivitet. Dette skyldes lav seriemodstand som sænker ledningstabet, deres hurtigere switch-tider som sænker switch-tabet og deres lavere omvendt gendannelsesladning som er årsag til deres lave omvendt gendannelsesltab.

Ved hjælp af en fælles halvbro boost-konverter topologi er det muligt at sammenligne GaN FET'ernes og Si MOSFET'ernes effektivitet (figur 3).

Figur 3: Skemaet af en halvbro boost-konverter, der anvendes til at sammenligne virkningsgraden af MOSFET'er og GaN FET'er ved at udskifte transistorerne Q1 og Q2 med hver type. (Billedkilde: Nexperia)

Boost-konverteren har en indgangsspænding på 240 volt, udgangen er på 400 volt, og switch-frekvensen er 100 kHz. Virkningsgrader og tab sammenlignes over et effektområde på op til 3500 watt (figur 4).

Figur 4: En sammenligning af effektivitet og effekttab mellem GaN FET'er og MOSFET'er i et identisk kredsløb, der viser fordelene ved GaN FET'erne. (Billedkilde Nexperia)

GaN FET'erne har en ca. 20 % højere effektivitet sammenlignet med MOSFET'erne, og effekttabet er ca. tre gange lavere. Ved 2000 watt er tabet i MOSFET'erne ca. 62 watt; i GaN FET'erne er det kun 19 watt. Det betyder, at kølesystemet kan være mindre, hvilket forbedrer boost-konverteren volumetriske effektivitet.

Det er mindre indlysende, at målingen blev udført til næsten 3500 watt for GaN FET'en på grund af dens højere maksimale spændingsgrænse. Som sådan har GaN FET en klar fordel.

Kom godt i gang med GaN til højere spændinger

Til anvendelser med højere spænding tilbyder Nexperia to 650 volt GaN FET'er, GAN063-650WSAQ og GAN041-650WSBQ. Begge er N-kanals FET'er, der normalt er slukkede. GAN063-650WSAQ er beregnet til at håndtere en maksimal dræn-til-kilde spænding på 650 volt og kan klare en transient (med en pulsbredde på mindre end et mikrosekund) på 800 volt. Den er normeret til en drænstrøm på 34,5 ampere (A) og en effekt-depletion på 143 watt ved 25 °C. Dræn-til-kilde modstanden i tændt tilstand er typisk 50 mΩ med en maksimal grænse på 60 mΩ.

GAN041-650WSBQ har den samme maksimale dræn-til-kilde spænding på 650 volt med den samme 800 volt transient grænseværdi. Den adskiller sig ved at kunne håndtere en maksimal drænstrøm på 47,2 A og en maksimal effekt-depletion på 187 watt ved stuetemperatur. Dens typiske kanalmodstand er 35 mΩ med en maksimal modstand på 41 mΩ.

Et Nexperia referencedesign med GAN063-650WSAQ i en halvbro-konfiguration er vist i figur 5.

Figur 5: Et anbefalet design for et halvbro-strømtrin med GAN063-650WSA GaN FET'er. Skemaet viser kun FET-driveren og halvbro-udgangstrappen samt de tilhørende komponenter. (Billedkilde: Nexperia)

Skemaet viser Si8230 høj/lav-driveren med dobbelt isoleret gate-driver, som bruges til at drive gatene af GaN FET'erne. Gate-driverens udgang er forbundet til gaten via en 30 Ω gate-modstand, hvilket er påkrævet for alle GaN-enheder. Gate-modstanden styrer opladningstiden for gate-kapacitansen og påvirker den dynamiske switch-ydelse. R-C-netværkene mellem FET'ernes dræn og source hjælper også med at styre switch-ydelsen. Gate-driftsniveauerne for GaN FET'en er mellem 0 og 10 - 12 volt.

GaN FET'ernes høje switch-hastighed (typisk mellem 10 og 11 nanosekunder (ns)) kræver omhyggeligt layout for at minimere parasitær induktans og brug af RC-snubbers for at dæmpe ringing pga. spændings- og strømovergangsstrømme. Der er flere RC-snubbere (R17 til 19 og C33 til 35) i designet mellem højspændingsforsyningen og jorden. Snubberne reducerer indsvingning, forårsaget af interaktionen mellem GaN FET'en og bypass-netværket. Snubberne skal forbindes så tæt på high-side FET'ens dræn som muligt. De er implementeret med overflademonterede modstande og keramiske kondensatorer med lav effektiv seriemodstand (ESR) for at minimere ledningsinduktansen.

Komponentnetværket bestående af R₄, D₁, C₁₂ og C₁₃ er en bootstrap-strømforsyning til høj-side gate-driveren. D₁ bør være en hurtig diode med lav kapacitans, da junction-kapacitansen bidrager til switch-tab. R₄ begrænser opladningsstrømmen på ingangen i intervallet 10 til 15 Ω fungerer godt.

Konklusion

Fra elbiler til kommunikation og industriel infrastruktur kræver behovet for større effektivitet og effekttæthed i strømkonverteringen et skift fra klassiske Si-strukturer. Som det fremgår, er GaN FET'er en vej fremad for næste generations design ved at tilbyde højere driftsspændinger, hurtigere switch-tider og højere effektivitet. Komponenter på hylden, som i nogle tilfælde understøttes af referencedesigns, hjælper designere med at få projekter hurtigt i gang.