ADI:n GaN-tehokomponentit ja työkalut laajentavat suunnittelumahdollisuuksia

Galliumnitridipuolijohteet (GaN) ovat edistyneet paljon niistä ajoista, kun ne olivat ensimmäistä kertaa taloudellisesti kannattavia erittäin kirkkaiden sinisten valodiodien (LED) muodossa 1990-luvun alussa ja myöhemmin Blu-ray-soitinten ydinteknologiana. Kesti lähes kaksi vuosikymmentä ennen kuin teknologiaa oli taloudellisesti kannattavaa käyttää korkean hyötysuhteen kanavatransistoreissa (FET).

GaN on nyt yksi puolijohdeteollisuuden nopeimmin kasvavista segmenteistä, jonka yhdistetyt vuotuisen kasvun arviot vaihtelevat 25 ja 50 prosentin välillä. Kasvua edistää kysyntä korkeamman energiahyötysuhteen laitteille, joilla voitaisiin saavuttaa kestävän kehityksen ja sähköistämisen tavoitteita.

GaN-transistoreita voidaan käyttää piitransistoreita pienempien ja hyötysuhteeltaan parempien laitteiden suunnitteluun. Alun perin GaN-transistoreita käytettiin suuritehoisissa mikroaaltovahvistinjärjestelmissä. Sittemmin GaN-valmistuksen mittakaavaedut ja mahdollisuus luoda pieniä ja tehokkaampia vahvistimia ovat laajentaneet transistoreiden käyttömahdollisuuksia synnyttäen miljardien dollareiden laitemarkkinat, jotka ulottuvat kuluttajatuotteista aina teollisuuden ja puolustusalan sovelluksiin.

Piipohjaisten MOSFET-transistoreiden uskotaan yleisesti saavuttaneen teoreettiset rajansa tehoelektroniikassa, kun taas GaN FET -transistoreiden suorituskyky voi parantua vielä reilusti. GaN-puolijohteiden perusmateriaalina käytetään yleensä piikarbidia (SiC), jonka jälkeen yleisimpiä ovat edullisempi pii sekä timantti. Timantti tarjoaa parhaan suorituskyvyn ja on käytetyistä materiaaleista kallein. GaN-laitteet toimivat korkeammissa lämpötiloissa suuremmalla elektroniliikkuvuudella ja -nopeudella piipohjaisiin laitteisiin verrattuna. Lisäksi niiden estosuuntainen elpymisvaraus on alhainen tai nolla.

GaN-tehopuolijohteiden tehotiheys on noin viisinkertainen verrattuna galliumarsenidipohjaisiin (GaAs) tehovahvistinpuolijohteisiin. Vähintään 80 % energiatehokkuutensa ansiosta GaN-puolijohteet tarjoavat ylivertaisen tehon, kaistanleveyden ja hyötysuhteen verrattuna sellaisiin vaihtoehtoihin kuten GaAs ja LDMOS (Laterally Diffused Metal-Oxide Semiconductor). Teknologiaa hyödynnetään nyt monissa erilaisissa sovelluksissa pikalatausvirta-adaptereista LiDAR-laitteisiin (light detection and ranging), joita käytetään autojen kehittyneissä ajoavustinjärjestelmissä (ADAS).

Myös palvelinkeskukset edustavat uutta kehittyvää markkinaa GaN-pohjaisille laitteille, jotka voivat vastata kasvaviin virrankulutus- ja jäähdytysvaatimuksiin pienentäen kustannuksia sekä auttaen operaattoreita ratkaisemaan entistä yleisempiä sääntelystä ja politiikasta johtuvia ympäristökiistoja.

Puolijohteiden valmistajat ja markkinatutkimusyritykset ennustavat myös kasvavia markkinoita sähköajoneuvojen matala- ja suurjännitesovelluksissa, jotka kattavat niin korkeamman hyötysuhteen akut kuin akkutoimiset sähköinvertterit.

Tätä aluetta ovat tähän mennessä hallinneet SiC-laitteet, jotka GaN-teknologian tavoin luokitellaan leveän energiaraon (WBG) puolijohteiksi, joiden suuri elektroniliikkuvuus ”mahdollistaa tehoelektroniikkakomponentit, jotka ovat pienempiä, nopeampia, luotettavampia ja joilla on korkeampi hyötysuhde kuin niiden piipohjaisilla verrokeilla”. GaN-teknologian energiarako on 3,4 eV, SiC-teknologian 2,2 eV ja SI-teknologian 1,12 eV.

GaN- ja SiC-tehopuolijohteet toimivat piitä korkeammilla taajuuksilla, suuremmalla kytkentänopeudella ja alhaisemmalla johtumisvastuksella. SiC-laitteet voivat toimia korkeammilla jännitteillä, kun taas GaN-laitteet tarjoavat nopeamman kytkennän pienemmällä energialla, minkä ansiosta suunnittelijat voivat pienentää kokoa ja vähentää painoa. SiC mahdollistaa jopa 1200 voltin jännitteen, kun taas GaN-teknologian maksimijännitteenä on yleisesti pidetty 650 volttia, vaikka hiljattain onkin esitelty komponentteja korkeammalla jännitteellä.

GaN-teknologian taajuusalueteho voi olla noin 10-kertainen GaAs-komponentteihin ja muihin puolijohteisiin verrattuna (kuva 1).

Kuva 1: Mikroaaltotaajuusalueen tehoelektroniikan vertailu. (Kuvan lähde: Analog Devices, Inc.)

Suunnitteluun liittyviä näkökohtia

On arvioitu, että tehoelektroniikka käsittelee vähintään 70 % maailmanlaajuisesti kulutetusta sähköenergiasta. GaN-teknologian WBG-ominaisuuksien ansiosta suunnittelijat voivat luoda pienempiä tehoelektroniikkajärjestelmiä hyödyntäen niiden korkeampaa tehotiheyttä, ylivertaista hyötysuhdetta ja erittäin korkeita kytkentänopeuksia.

Teknologia mahdollistaa innovaatioita useilla markkinoilla, kuten tehoelektroniikassa, autoteollisuudessa, aurinkoenergian varastoinnissa ja palvelinkeskuksissa. Erittäin hyvin säteilyä kestävät GaN-komponentit soveltuvat mainiosti kehitteillä oleviin puolustusalan ja avaruusteollisuuden sovelluksiin.

Jotkut elektroniikkasuunnittelijat ovat saattaneet olla valitsematta GaN-teholaitteita materiaalikustannuksia koskevien väärinkäsitysten vuoksi. Vaikka GaN-perusmateriaalin valmistuskustannukset olivatkin aluksi paljon korkeammat kuin Si-perusmateriaalin, tämä ero on kaventunut huomattavasti. Eri perusmateriaalien käyttö myös antaa suunnittelijoille mahdollisuuden löytää paras kompromissi kustannusten ja suorituskyvyn välillä.

GaN-on-SiC tarjoaa laajimman markkinapotentiaalin suunnittelijoille parhaan kustannusten ja suorituskyvyn yhdistelmän ansiosta. GaN-on-Si- ja GaN-on-diamond-komponenttien tarjoamilla vaihtoehdoilla tuotesuunnittelijat voivat kuitenkin valita perusmateriaalin, joka voi täyttää parhaiden heidän organisaatioidensa ja asiakkaidensa hinta- ja suorituskykytarpeet.

GaN-teknologian erittäin korkean kytkentänopeuden vuoksi suunnittelijoiden on kiinnitettävä erityistä huomiota sähkömagneettisiin häiriöihin (EMI) ja niiden vähentämiseen tehosilmukan layoutissa. Aktiiviset hilaohjaimet, jotka ovat välttämättömiä jännitteenylitysten estämiseksi, voivat vähentää kytkentäaaltomuotojen aiheuttamia sähkömagneettisia häiriöitä.

Toisen keskeisen suunnitteluongelman muodostavat loisinduktanssi ja kapasitanssi, jotka voivat johtaa virheaktivoitumisiin. Suorituskykyedun maksimointi riippuu sivuttaisten ja pystysuuntaisten tehosilmukoiden optimaalisesta layoutista ja ohjaimen nopeuden sovittamisesta laitteen nopeuteen.

Suunnittelijoiden on myös optimoitava lämmönhallinta, jotta vältetään suorituskykyä ja luotettavuutta mahdollisesti heikentävä liiallinen kuumentuminen. Koteloinnin kykyä vähentää induktanssia ja haihduttaa lämpöä on myös arvioitava.

Analog Devices tarjoaa GaN-tehovahvistimet

Elektroniikkajärjestelmät edellyttävät syöttöjännitteen muuntamista tehoa tarvitsevan piirin jännitteeksi. Pitkän linjan johtava puolijohdeyritys Analog Devices, Inc. (ADI) pyrkii tarjoamaan alan parhaan suorituskyvyn GaN-tehovahvistimissa ja asiakastuen, joiden ansiosta suunnittelijat voivat saavuttaa huipputason suorituskykytavoitteet ja saada ratkaisunsa markkinoille nopeammin.

Hilaohjaimet ja jännitteenalennusohjaimet ovat välttämättömiä GaN-tehokomponenttien etujen maksimoimiseksi. GaN-puolisiltaohjaimet parantavat tehojärjestelmien kytkentäsuorituskykyä ja yleistä hyötysuhdetta. DC/DC-jännitteenalennusmuuntimet muuntavat korkeamman tulojännitteen pienemmäksi lähtöjännitteeksi.

ADI tarjoaa LT8418-komponentin, joka on 100 V:n GaN-puolisiltaohjain, johon on integroitu ylä- ja alaohjausaste, ohjainlogiikan ohjaus, suojaukset ja käynnistyskytkin (kuva 2). Se voidaan konfiguroida synkroniseen puolisiltajännitteenalennus- tai jännitteenkorotustopologiaan. Jaetut hilaohjaimet säätävät GaN FET -transistoreiden päälle- ja poiskytkennän muuttumisnopeuksia EMI-suorituskyvyn optimoimiseksi.

Kuva 2: Kaaviossa ADI:n GAN-pohjainen DC/DC-jännitteenalennushakkurimuuntaja LT8418. (Kuvan lähde: Analog Devices, Inc.)

ADI GaN -ohjaimen tulot ja lähdöt ovat oletusarvoisesti matalassa tilassa, joka estää GaN FET -transistoreiden virheaktivoitumisen. Lyhyt etenemisviive 10 ns sekä viiveen sovitus 1,5 ns ylä- ja alakanavien välillä tekevät LT8418-piiristä sopivan korkeataajuisiin DC/DC-muuntimiin, moottoriohjaimiin, D-luokan audiovahvistimiin, palvelinkeskusten teholähteisiin ja suureen joukkoon tehosovelluksia kuluttaja-, teollisuus- ja automarkkinoilla.

LTC7890 (kaksikanavainen) ja LTC7891 (yksikanavainen) (kuva 3) ovat erittäin suorituskykyisiä hakkuriregulaattoriohjaimia DC/DC-jännitteenalennukseen ja ne ohjaavat N-kanavan synkronisia GaN FET -tehoasteita jopa 100 V:n tulojännitteillä. Näiden ohjaimien tarkoituksena on vastata moniin haasteisiin, joita suunnittelijat kohtaavat GaN FET -transistoreita käyttäessään. Ne yksinkertaistavat sovellussuunnittelua, koska ne eivät vaadi pii-MOSFET-ratkaisuissa tyypillisesti käytettäviä suojausdiodeja tai muita ulkoisia lisäkomponentteja.

Kuva 3: ADI:n LTC7891-jännitteenalennusohjain. (Kuvan lähde: Analog Devices, Inc.)

Kumpikin ohjain antaa suunnittelijoille mahdollisuuden säätää hilaohjaimen jännitettä tarkasti 4–5,5 V:n välillä suorituskyvyn optimoimiseksi, ja ne mahdollistavat erilaisten GaN FET -transistoreiden ja logiikkatason MOSFET-transistoreiden käytön. Sisäiset älykkäät käynnistyskytkimet estävät BOOSTx-nastan ylikuormittamisen SWx-nastaan yläpuolen ohjausjännitteen jännitteettömänä aikana, mikä suojaa ylemmän GaN FET -transistorin hilaa.

Kummatkin komponentit optimoivat sisäisesti hilaohjaimen ajoituksen molemmilla kytkentäreunoilla lähes olemattomiin jännitteettömiin aikoihin, mikä parantaa hyötysuhdetta ja mahdollistaa korkeiden taajuuksien käytön. Suunnittelijat voivat myös säätää jännitteettömiä aikoja ulkoisilla vastuksilla. Komponentit ovat saatavana sivulta tarkastettavilla reunoilla QFN-koteloissa. Kaaviot kuvaavat tyypillisiä sovelluspiirejä seuraavissa konfiguraatioissa: LTC7890, 40 jalkaa, 6 mm x 6 mm (kuva 4) ja LTC7891, 28 jalkaa, 4 mm x 5 mm (kuva 5).

Kuva 4: Kaaviossa tyypillinen ADI LTC7890 -sovelluspiiri. (Kuvan lähde: Analog Devices, Inc.)

Kuva 5: Kaaviossa jännitteenalennusregulaattori, jossa käytetään ADI:n 28-jalkaista LTC7891-piiriä. (Kuvan lähde: Analog Devices, Inc.)

Suunnittelijat voivat myös hyödyntää ADI:n erilaisia tehonhallintatyökaluja virransyötön suorituskykytavoitteiden saavuttamiseen ja piirilevyjen optimointiin. Työkalusarja sisältää mm. laskimen jännitteenalennuksen säätövastukselle, signaaliketjun tehon määritystyökalun ja Windows-pohjaisen kehitysympäristön.

Yhteenveto

GaN on mullistava puolijohdemateriaali, josta tuotetaan komponentteja, joiden tehotiheys on korkea, kytkentänopeus erittäin nopea ja hyötysuhde erinomainen. Tuotesuunnittelijat voivat luoda ADI:n GaN FET -hilaohjaintuotteiden avulla luotettavampia ja korkeamman hyötysuhteen järjestelmiä vähemmillä komponenteilla, mikä vähentää järjestelmien kokoa ja painoa.