Miksi ja miten GaN-kanavatransistoreita käytetään korkean hyötysuhteen korkeajännitteisissä hakkuriteholähteissä

Sekä yhteiskunnan että sääntelyviranomaisten asettamissa vaatimuksissa korostetaan elektronisten järjestelmien hyötysuhdetta. Sähköajoneuvoista korkeajännitteisiin viestintä- ja teollisuusinfrastruktuureihin vaihtelevissa käyttökohteissa erityisesti tehomuunnoksen hyötysuhde ja tehotiheys ovat ratkaisevan tärkeitä onnistuneen lopputuloksen kannalta.

Näiden vaatimusten täyttämiseksi hakkuriteholähteiden suunnittelijoiden on siirryttävä pois perinteisten piipohjaisten MOSFET-transistorien ja IGBT-transistoreiden käytöstä, sillä ne lähestyvät nopeasti teoreettisia rajojaan.

Suunnittelijoiden on niiden sijaan harkittava komponentteja, jotka perustuvat leveän energiaraon (WBG) materiaaleihin, kuten galliumnitridi (GaN). GaN-komponentit kytkevät nopeammin kuin Si-komponentit, ne pystyvät käsittelemään korkeampia jännitteitä ja tehoja, ne ovat huomattavasti pienempiä kooltaan suhteessa tehotasoon ja ne toimivat huomattavasti paremmalla hyötysuhteella.

Tässä artikkelissa tarkastellaan GaN-FET-transistorien perusteita, esitellään niiden etuja perinteisiin Si-komponentteihin verrattuna hakkuriteholähdepiireissä, esitellään reaalimaailman esimerkkejä Nexperialta ja käsitellään niiden käyttökohteita.

GaN-FET-transistorien perusteet

Tehonmuunnospiirien peruselementit ovat korkeajännitteisiä puolijohdekytkimiä. Suunnittelijat ovat keskittyneet parantamaan näiden komponenttien suorituskykyä seuraavasti: vähentämällä johtumishäviöitä alentamalla johtotilan sarjavastusta, vähentämällä kytkentähäviöitä lisäämällä siirtymänopeuksia sekä vähentämällä loisilmiöitä. Nämä ponnistelut ovat yleisesti ottaen tuottaneet tulosta piipohjaisten MOSFET- ja IGBT-transistorien osalta, mutta parannusten nopeus on hidastunut näiden laitteiden toiminnan alkaessa saavuttaa teoreettiset rajansa.

Tämän seurauksena piikarbidia (SiC) ja galliumnitridiä käyttävät WBG-komponentit ovat viime vuosien aikana yleistyneet siinä määrin, että ne on otettu massatuotantoon. Nämä laitteet tarjoavat suuremmat käyttöjännitealueet, nopeammat kytkentäajat ja korkeamman hyötysuhteen.

Puolijohteen energiarako on pienin energiamäärä, joka tarvitaan elektronien vapauttamiseen sidotusta tilasta vapaaseen tilaan, jotta ne johtavat sähköä (taulukko 1).

Taulukko 1: Yhteenveto keskeisistä ominaisuuksista, jotka erottavat galliumnitridin ja piikarbidin kaltaiset leveän energiaraon puolijohteet piihin perustuvista puolijohteista. (Taulukon lähde: Art Pini)

Leveän energiaraon puolijohteita käyttävät laitteet mahdollistavat paljon korkeamman jännitteen, taajuuden ja lämpötilan kuin piin kaltaisia perinteisiä puolijohdemateriaaleita käyttävät laitteet. Leveämpi energiarako on erityisen tärkeä siksi, että se mahdollistaa komponentin toiminnan huomattavasti korkeammassa lämpötilassa. Korkea lämpötilankesto tarkoittaa, että normaaleissa olosuhteissa näitä komponentteja voidaan käyttää huomattavasti korkeammilla tehotasoilla. Leveän energiaraon puolijohteilla, joilla on korkeampi kriittinen sähkökenttä ja suurempi liikkuvuus, on alhaisin dynaaminen nielun ja lähteen välinen johtamisresistanssi (R_DS(ON)), mikä vähentää johtumishäviöitä.

Useimmilla leveän energiaraon materiaaleilla on myös korkea vapaan elektronin nopeus, minkä ansiosta niitä voidaan käyttää korkeammilla kytkentätaajuuksilla.

Verrattuna piihin, jonka energiarako on 1,12 elektronivolttia (eV), GaN ja SiC ovat yhdistepuolijohteita, joiden energiaraot ovat noin kolme kertaa suuremmat, 3,4 eV ja 3,3 eV. Tämä tarkoittaa, että molemmat voivat tukea korkeampia jännitteitä ja korkeampia taajuuksia.

Galliumnitridin korkeampi elektroniliikkuvuus tekee siitä paljon sopivamman korkean suorituskyvyn ja korkeiden taajuuksien käyttökohteisiin. GaN-FET-tehotransistorien sallimat korkeammat kytkentänopeudet ja korkeammat toimintataajuudet parantavat signaalinhallintaa, mahdollistavat passiivisuodattimet korkeammilla rajataajuuksilla ja pienentävät rippelivirtaa. Tämä mahdollistaa pienempien induktiokelojen, kondensaattoreiden ja muuntajien käytön, mikä vähentää laitteen kokoa ja painoa.

GaN-FET-transistoreja kutsutaan korkean elektroniliikkuvuuden transistoreiksi (HEMT). Korkea elektroniliikkuvuus on tulosta kanavatransistorirakenteesta (kuva 1).

Kuva 1: Si-substraattiin perustuvan GaN-FET-transistorin poikkileikkaus. (Kuvan lähde: Nexperia)

GaN-FET-transistorit hyödyntävät nykyisiä piitä käyttäviä CMOS-tuotantolaitoksia, mikä tekee niistä kustannustehokkaita. Si-substraatille muodostetaan GaN-kerros luomalla siemenkerros sekä galliumnitridin ja alumiinigalliumnitridin (AlGaN) progressiivinen eristyskerros (ei näy kaaviossa), ennen kuin puhdas GaN-kerros kasvaa. Toinen AlGaN-kerros luodaan GaN-kerroksen päälle. Tämä muodostaa pietsosähköisen polarisaation, jossa muodostuu ylimäärä elektroneita välittömästi AlGaN-kerroksen alla, mikä on erittäin johtava kanava. Tämä elektronien ylimäärä tunnetaan kaksiulotteisena elektronikaasuna (2DEG). Nimi kuvastaa tämän kerroksen erittäin korkeaa elektroniliikkuvuutta.

Hilan alle muodostuu tyhjennysalue. Hilan toiminta on samankaltainen kuin N-kanavan avaustyyppisen piipohjaisen MOSFET-tehotransistorin. Tämän komponentin hilaan kytketty positiivinen jännite saa sen johtamistilaan.

Tämä rakenne toistuu useita kertoja muodostaen tehokomponentin. Lopputuloksena on perusteiltaan yksinkertainen, tyylikäs ja kustannustehokas ratkaisu virran kytkentään.

Korkeammalla jännitteellä toimiva komponentti saadaan aikaan kasvattamalla etäisyyttä nielun ja hilan välillä. Koska GaN 2DEG-elementin resistiivisyys on erittäin alhainen, sulkujännitekapasiteetin kasvattamisen vaikutus resistanssiin on huomattavasti pienempi verrattuna piipohjaisiin laitteisiin.

GaN-FET-transistoreja on kahta eri tyyppiä, avaustyyppisiä ja tyhjennystyyppisiä. Avaustyyppiset FET-transistorit ovat normaalisti ei-johtotilassa, joten hilaan pitää syöttää nieluun/lähteeseen nähden positiivinen jännite FET-transistorin siirtämiseksi johtotilaan. Tyhjennystyyppiset FET-transistorit ovat normaalisti johtotilassa, joten hilaan pitää syöttää nieluun/lähteeseen nähden negatiivinen jännite FET-transistorin siirtämiseksi ei-johtotilaan. Tyhjennystyyppiset FET-transistorit ovat virtajärjestelmissä ongelmallisia, koska tyhjennystyyppiseen GaN-FET-transistoriin pitää syöttää negatiivinen esijännite ennen virran kytkemistä järjestelmään.

Yksi tapa kiertää tämä ongelma on yhdistää matalajännitteinen pii-FET ja tyhjennystyyppinen GaN-FET kaskadityyppiseen piirikonfiguraatioon (kuva 2).

Kuva 2: Matalajännitteinen MOSFET-piitransistori kaskadikonfiguraatiossa tyhjennystyyppisen GaN-FET-transistorin kanssa yhdistää piipohjaisen hilarakenteen robustisuuden GaN-komponentin parempiin kellotusominaisuuksiin korkeilla jännitteillä. Tämän lisäksi tyhjennystyyppisen GaN-FET-transistorin tapauksessa yhdistelmäkomponentti on ei-johtotilassa käynnistyksen aikana. (Kuvan lähde: Nexperia)

Kaskadipiirissä käytetään MOSFET-piitransistori hilarakennetta, jonka etuina ovat korkeammat hilaohjauksen rajat, jotka vastaavat olemassa olevia MOSFET-hilaohjainmikropiirejä, ja se, että tyhjennystyyppinen GaN-FET on ei-johtotilassa käynnistyksen aikana.

Yksi GaN-FET-transistorien avainominaisuuksista on niiden korkea hyötysuhde. Tämä johtuu seuraavista seikoista: alhainen sarjavastus, joka vähentää johtumishäviöitä; nopeammat kytkentäajat, mikä vähentää kytkentähäviöitä; ja matalampi estosuuntainen elpymisvaraus, mikä selittää niiden alhaiset estosuuntaiset päästöhäviöt.

GaN-FET-transistorien ja MOSFET-piitransistorien hyötysuhdetta voidaan vertailla käyttämällä tavallista jännitteenkorotusmuuntimen puolisiltatopologiaa (kuva 3).

Kuva 3: Kaaviossa puolisiltakytketty jännitteenkorotusmuunnin, jota käytetään MOSFET-transistorien ja GaN-FET-transistorien hyötysuhteen vertailuun vaihtamalla transistorit Q1 ja Q2 kuhunkin tyyppiin. (Kuvan lähde: Nexperia)

Jännitteenkorotusmuuntimen tulojännite on 240 volttia, lähtö 400 volttia ja kytkentätaajuus 100 kilohertsiä (kHz). Hyötysuhteita ja häviöitä vertaillaan 3500 wattiin ulottuvalla tehoalueella (kuva 4).

Kuva 4: GaN-FET-transistorien ja MOSFET-transistorien hyötysuhteiden ja häviöiden vertailu identtisissä virtapiireissä, mikä osoittaa GaN-FET-transistorien edut. (Kuvan lähde: Nexperia)

GaN-FET-transistorit toimivat noin 20 % korkeammalla hyötysuhteella kuin MOSFET-transistorit, ja niiden tehohäviöt ovat noin kolme kertaa alhaisemmat. 2000 watin teholla MOSFET-transistorien häviöt ovat noin 62 wattia, kun taas GaN-FET-transistoreissa ne ovat vain 19 wattia. Tämä tarkoittaa, että jäähdytysjärjestelmä voi olla pienempi, mikä parantaa jännitteenkorotusmuuntimen tilavuushyötysuhdetta.

Vähemmän ilmeistä on, että GaN-FET-transistorille mittaus suoritettiin lähes 3500 wattiin asti sen korkeamman enimmäisjänniterajan ansiosta. Siten GaN-FET-transistorilla on selvä etu.

Galliumnitridin käytön aloittaminen korkeammilla jännitteillä

Korkeamman jännitteen sovelluksia varten Nexperia tarjoaa kaksi 650 voltin GaN-FET/transistoria, GAN063-650WSAQ ja GAN041-650WSBQ. Molemmat ovat N-kanavan FET-transistoreita, jotka ovat normaalisti ei-johtotilassa. GAN063-650WSAQ-piirin nielu-lähde-jänniteluokitus on enintään 650 volttia ja se kestää jopa 800 voltin transientin (pulssileveys alle mikrosekunnin). Se on luokiteltu nieluvirralle 34,5 ampeeria (A) ja tehohäviölle 143 wattia lämpötilassa 25 °C. Nielun ja lähteen välinen johtamisresistanssi on tyypillisesti 50 milliohmia (mΩ) enimmäisarvon ollessa 60 mΩ.

Samoin GAN041-650WSBQ-piirin nielu-lähde-jänniteluokitus on enintään 650 volttia ja se kestää samoin jopa 800 voltin transientin. Se eroaa siten, että sen nieluvirtaluokitus on 47,2 A ja enimmäistehohäviö 187 wattia huoneenlämmössä. Sen tyypillinen kanavaresistanssi on 35 mΩ ja enintään 41 mΩ.

Kuvassa 5 esitetään Nexperian referenssisuunnitelma, jossa GAN063-650WSAQ-piiriä käytetään puolisiltakonfiguraatiossa.

Kuva 5: Suositeltu puolisiltakytketty tehoasteratkaisu, jossa käytetään GaN-FET-transistoria GAN063-650WSA. Kaavio näyttää vain FET-ohjaimen ja puolisiltakytketyn lähtövaiheen sekä niihin liittyvät komponentit. (Kuvan lähde: Nexperia)

Kaavio näyttää ylä-/alapuolen kaksikanavaisen erotetun Si8230-hilaohjaimen, jota käytetään GaN-FET-hilojen ohjaamiseen. Hilaohjaimen lähtö kytketään hilaan 30 Ω:n hilavastuksen kautta, mitä vaaditaan kaikille GaN-komponenteille. Hilavastus rajoittaa hilan kapasitanssin varautumisaikaa, mikä vaikuttaa dynaamisen kytkennän suorituskykyyn. Myös FET-transistorien nielun ja lähteen väliset vastus-kondensaattoripiirit auttavat hallitsemaan kytkennän suorituskykyä. GaN-FET-hilan ohjausjännitteet ovat välillä 0 ja 10–12 volttia.

GaN-FET-transistorien korkea kytkentänopeus (yleensä noin 10–11 nanosekuntia (ns)) edellyttää huolellista layoutia loisinduktanssin minimoimiseksi sekä vastus-kondensaattorisuojapiirien käyttöä jännite- ja virtatransienttien aiheuttaman värähtelyn vaimennukseen. Referenssisuunnitelmassa on useita vastus-kondensaattorisuojapiirejä (R17–19 ja C33–35) korkeajännitesyötön ja maan välissä. Suojapiirit vaimentavat GaN-FET-transistorin ja ohitusverkon vuorovaikutuksen aiheuttamaa värähtelyä. Suojapiirit pitäisi kytkeä mahdollisimman lähelle yläpuolen FET-transistorin nielua. Ne on toteutettu pintaliitosvastuksilla ja matalan ESR (Effective Series Resistance) -arvon keraamisilla kondensaattoreilla johdinten induktanssin minimoimiseksi.

Komponenttiverkosto, jonka muodostavat R₄, D₁, C₁₂ ja C₁₃, on yläpuolen hilaohjaimen jänniteohjain käynnistyksessä. D₁-diodin tulisi olla nopea, matalan kapasitanssin diodi, koska sen liitoskapasitanssi aiheuttaa osaltaan kytkentähäviöitä. R₄ toimii käynnistyssysäysvirran rajoittimena; noin 10–15 Ω toimii hyvin.

Yhteenveto

Aina sähköajoneuvoista viestintä- ja teollisuusinfrastruktuuriin, paremman tehomuunnoshyötysuhteen ja tehotiheyden tarve vaatii perinteisten piipohjaisien ratkaisuiden unohtamista. Kuten yllä on esitetty, GaN-FET-transistorit avaavat tien eteenpäin seuraavan sukupolven ratkaisuihin tarjoamalla korkeammat käyttöjännitteet, nopeammat kytkentäajat ja korkeamman hyötysuhteen. Valmiskomponentit, joita tuetaan joissakin tapauksissa referenssisuunnitelmien avulla, auttavat suunnittelijoita saamaan projektit nopeasti käyntiin.