لقد قطعت أشباه الموصلات من نيتريد الغاليوم (GaN) شوطًا طويلًا منذ أن أصبحت قابلة للتطبيق تجاريًا لأول مرة مثل الثنائيات الزرقاء الباعثة للضوء (LEDs) شديدة السطوع في أوائل التسعينيات، وبعد ذلك، أصبحت نواة. التكنلوجيا لمشغلات الأقراص الضوئية Blu-ray. لقد مر ما يقرب من عقدين من الزمن قبل أن تصبح هذه التكنولوجيا قابلة للتطبيق تجاريًا للترانزستورات ذات التأثير الميداني (FETs) ذات كفاءة الطاقة العالية.
يمثل GaN الآن واحدًا من أسرع القطاعات نموًا في العالم أشباه الموصلات الصناعة، مع تقديرات نمو سنوية مركبة تتراوح بين 25% إلى 50%، مدفوعة بالطلب على الأجهزة ذات كفاءة أكبر في استخدام الطاقة لتحقيق أهداف الاستدامة والكهرباء.
يمكن استخدام ترانزستورات GaN لتصميم أجهزة أصغر حجمًا وأكثر كفاءة من ترانزستورات السيليكون. تم استخدامه في البداية لأنظمة مضخمات الموجات الدقيقة عالية الطاقة، وقد أدى وفورات الحجم في تصنيع GaN والقدرة على إنشاء مكبرات صوت صغيرة وأكثر قوة إلى توسيع الاستخدام لإنشاء سوق أجهزة بمليارات الدولارات يشمل التطبيقات الاستهلاكية والصناعية والعسكرية.
يُعتقد على نطاق واسع أن دوائر MOSFET السيليكونية قد وصلت إلى حدودها النظرية لإلكترونيات الطاقة، في حين لا تزال GaN FETs تتمتع بإمكانيات كبيرة لتحقيق المزيد من التقدم في الأداء. تستخدم أشباه الموصلات GaN في الغالب ركائز كربيد السيليكون (SiC)، يليها السيليكون، وهو أكثر اقتصادا، أو الماس، وهو الأفضل أداء والأكثر تكلفة. تعمل أجهزة GaN في درجات حرارة أعلى مع حركة وسرعة إلكترون أعلى من الأجهزة القائمة على السيليكون وبشحنة استرداد عكسي منخفضة أو معدومة.
تتميز أشباه موصلات الطاقة GaN بحوالي خمسة أضعاف كثافة الطاقة لأشباه الموصلات لمضخم الطاقة من زرنيخيد الغاليوم (GaAs). مع كفاءة طاقة تصل إلى 80% أو أكثر، توفر أشباه موصلات GaN طاقة وعرض نطاق ترددي وكفاءة فائقة مقارنة بالبدائل مثل GaAs وأشباه الموصلات المصنوعة من أكسيد المعدن المنتشر أفقيًا (LDMOS). يتم استخدام هذه التقنية الآن في تطبيقات متنوعة تتراوح من محولات الطاقة سريعة الشحن إلى أجهزة الكشف عن الضوء والمدى (LiDAR) المدمجة في أنظمة مساعدة السائق المتقدمة (ADAS) للسيارات.
تمثل مراكز البيانات سوقًا ناشئًا آخر للأجهزة القائمة على شبكة GaN والتي يمكنها تلبية استهلاك الطاقة المتزايد ومتطلبات التبريد بتكاليف أقل، فضلاً عن المساعدة في معالجة النزاعات البيئية المتزايدة التي يواجهها المشغلون في الساحات التنظيمية والسياسية.
ويتوقع مصنعو أشباه الموصلات وشركات أبحاث السوق أيضًا وجود سوق متنامية لتطبيقات الجهد المنخفض والعالي في السيارات الكهربائية، بدءًا من البطاريات الأكثر كفاءة إلى محولات سحب البطارية.
هذه منطقة سيطرت عليها حتى الآن أجهزة SiC، والتي، مثل GaN، تصنف على أنها أشباه موصلات ذات فجوة نطاق واسعة (WBG) ذات حركة إلكترونية عالية والتي "تسمح لمكونات الطاقة الإلكترونية بأن تكون أصغر وأسرع وأكثر موثوقية، وأكثر كفاءة". أكثر كفاءة من نظيراتها المعتمدة على السيليكون (Si)." يحتوي GaN على فجوة نطاق تبلغ 3.4 فولت، مقارنة بـ 2.2 فولت لـ SiC و1.12 فولت لـ SI.
تعمل أشباه موصلات الطاقة GaN وSiC بترددات أعلى ولها سرعات تحويل أسرع ومقاومة توصيل أقل من السيليكون. يمكن أن تعمل أجهزة SiC بجهد كهربائي أعلى، بينما توفر أجهزة GaN تحويلاً أسرع مع طاقة أقل، مما يسمح للمصممين بتقليل الحجم والوزن. يمكن لـ SiC دعم ما يصل إلى 1,200 فولت، في حين يُنظر إلى GaN عمومًا على أنه أكثر ملاءمة لما يصل إلى 650 فولت، على الرغم من طرح أجهزة ذات جهد أعلى مؤخرًا.
يمكن أن يوفر GaN حوالي 10 أضعاف طاقة نطاق التردد مقارنةً بـ GaAs وأشباه الموصلات الأخرى (الشكل 1).
متطلبات التصميم
تشير التقديرات إلى أن 70% أو أكثر من الطاقة الكهربائية المستهلكة في جميع أنحاء العالم تتم معالجتها بواسطة إلكترونيات الطاقة. بفضل خصائص WBG لـ GaN، يمكن للمصممين إنشاء أنظمة إلكترونية للطاقة أصغر، باستخدام كثافة طاقة أعلى، وكفاءة فائقة، وسرعات تحويل فائقة السرعة.
تتيح هذه التقنية الابتكار في أسواق متعددة، بما في ذلك إلكترونيات الطاقة والسيارات وتخزين الطاقة الشمسية ومراكز البيانات وغيرها. تتميز أجهزة GaN بمقاومتها العالية للإشعاع، وهي مناسبة تمامًا للتطبيقات العسكرية والفضائية الناشئة.
ربما ابتعد بعض المصممين الإلكترونيين عن أجهزة طاقة GaN بسبب المفاهيم الخاطئة المتعلقة بتكلفة المواد. في حين أن تصنيع ركيزة GaN كان في البداية أعلى بكثير من Si، فقد تضاءل هذا الفارق إلى حد كبير، كما أن استخدام ركائز مختلفة يوفر للمصممين القدرة على العثور على أفضل مقايضة بين التكلفة والأداء.
يوفر GaN-on-SiC أوسع إمكانات السوق للمصممين مع أفضل مقايضة من حيث التكلفة والأداء. ومع ذلك، مع خيارات GaN-on-Si وGaN-on-diamond، يمكن لمصممي المنتجات اختيار الركيزة الأكثر ملاءمة لتلبية احتياجات السعر/الأداء لمؤسساتهم وعملائهم.
نظرًا لمعدلات التحويل العالية جدًا لـ GaN، يحتاج المصممون إلى إيلاء اهتمام خاص للتداخل الكهرومغناطيسي (EMI) وكيف يمكن تخفيفه في تخطيط حلقة الطاقة. يمكن لمحركات البوابة النشطة، والتي تعتبر ضرورية لمنع تجاوز الجهد الكهربي، أن تقلل من التداخل الكهرومغناطيسي من تبديل الأشكال الموجية.
هناك مشكلة رئيسية أخرى في التصميم وهي الحث الطفيلي والسعة التي يمكن أن تؤدي إلى إطلاق خاطئ. يعتمد تعظيم مزايا الأداء على التخطيط الأمثل لحلقات الطاقة الجانبية والرأسية ومطابقة سرعة السائق مع سرعة الجهاز.
يجب على المصممين أيضًا تحسين الإدارة الحرارية لمنع التسخين المفرط الذي يمكن أن يضر بالأداء والموثوقية. ينبغي تقييم التغليف على أساس قدرته على تقليل الحث وتبديد الحرارة.
تقوم الأجهزة التناظرية بمصادر مضخمات طاقة GaN
إلكتروني تتطلب الأنظمة التحويل بين جهد مصدر الطاقة وجهد الدوائر التي تحتاج إلى الطاقة. تهدف شركة Analog Devices, Inc. (ADI) الرائدة منذ فترة طويلة في مجال أشباه الموصلات إلى تقديم أداء مضخم طاقة GaN الرائد في الصناعة إلى جانب الدعم، مما يمكّن المصممين من تحقيق أهداف الأداء الأعلى وإيصال حلولهم إلى السوق بشكل أسرع.
تعد برامج تشغيل البوابة ووحدات التحكم المتدرجة (أو باك) ضرورية لتحقيق أقصى قدر من فوائد أجهزة طاقة GaN. تعمل محركات GaN نصف الجسر على تحسين أداء التحويل والكفاءة الإجمالية لأنظمة الطاقة. تقوم محولات التنحي DC-to-DC بتحويل جهد الدخل الأعلى إلى جهد خرج أقل.
تقدم ADI LT8418، وهو محرك GaN نصف جسر بقدرة 100 فولت يدمج مراحل التشغيل العلوية والسفلية، والتحكم في منطق السائق، والحماية، ومفتاح التشغيل (الشكل 2). يمكن تهيئته إلى نصف جسر متزامن، أو تعزيز الطبولوجيا. تقوم برامج تشغيل البوابة المقسمة بضبط معدلات التشغيل وإيقاف التشغيل لـ GaN FETs لتحسين أداء EMI.
تتميز مدخلات ومخرجات برنامج تشغيل ADI GaN بحالة منخفضة افتراضية لمنع التشغيل الخاطئ لـ GaN FETs. مع تأخير نشر سريع قدره 10 ns، إلى جانب مطابقة التأخير بمقدار 1.5 ns بين القنوات العلوية والسفلية، فإن LT8418 مناسب لمحولات DC/DC عالية التردد، ومحركات المحركات، ومكبرات الصوت من الفئة D، وإمدادات الطاقة في مركز البيانات، ومجموعة واسعة من تطبيقات الطاقة عبر الأسواق الاستهلاكية والصناعية والسيارات.
يتميز الطرازان LTC7890 وLTC7891 (الشكل 3) بأداء عالٍ، مزدوج ومفرد، على التوالي، ويتحولان من DC إلى DC بشكل متدرج منظم وحدات تحكم لقيادة مراحل طاقة GaN FET المتزامنة على قناة N من جهد دخل يصل إلى 100 فولت. تهدف إلى معالجة العديد من التحديات التي يواجهها المصممون باستخدام GaN FETs، تعمل وحدات التحكم هذه على تبسيط تصميم التطبيق من خلال عدم الحاجة إلى صمامات ثنائية للحماية أو مكونات خارجية إضافية أخرى تستخدم عادةً في السيليكون MOSFET حلول.
توفر كل وحدة تحكم للمصممين القدرة على ضبط جهد محرك البوابة بدقة من 4 فولت إلى 5.5 فولت لتحسين الأداء والسماح باستخدام مختلف وحدات GaN FETs وMOSFETs ذات المستوى المنطقي. تمنع مفاتيح التمهيد الذكية الداخلية الشحن الزائد من طرف BOOSTx إلى مستلزمات المحرك ذات الجانب العلوي من طرف SWx أثناء الأوقات الميتة، مما يحمي بوابة GaN FET العلوية.
يقوم كلا المكونين داخليًا بتحسين توقيت تشغيل البوابة على كلا طرفي التبديل لأوقات توقف قريبة من الصفر، مما يؤدي إلى تحسين الكفاءة والسماح بالتشغيل عالي التردد. يمكن للمصممين أيضًا ضبط الأوقات الميتة باستخدام مقاومات خارجية. تتوفر الأجهزة بجوانب جانبية قابلة للبلل في عبوات رباعية مسطحة خالية من الرصاص (QFN). توضح المخططات دوائر التطبيق النموذجية بتكوينات LTC40 ذات 6 رصاصًا، 6 مم × 7890 مم (الشكل 4) وتكوينات LTC28 ذات 4 رصاصًا، 5 مم × 7891 مم (الشكل 5).
يمكن للمصممين أيضًا الاستفادة من مجموعة أدوات إدارة الطاقة ADI لتحقيق أهداف أداء مصدر الطاقة وتحسين اللوحات. تشتمل مجموعة الأدوات على آلة حاسبة ذات مقاومة متغيرة، ومكون طاقة سلسلة الإشارة، وبيئة تطوير قائمة على Windows.
وفي الختام
GaN عبارة عن مادة شبه موصلة تحويلية تستخدم لإنتاج مكونات ذات كثافة طاقة عالية وسرعات تحويل فائقة السرعة وكفاءة فائقة في استخدام الطاقة. يمكن لمصممي المنتجات الاستفادة من منتجات تشغيل بوابة GaN FET من ADI لإنشاء أنظمة أكثر موثوقية وكفاءة بمكونات أقل، مما يؤدي إلى أنظمة أصغر ذات آثار أقدام ووزن أقل.