تم إنتاج ترانزستورات نيتريد الغاليوم (GaN) بكميات كبيرة لأكثر من 10 سنوات. في السنوات القليلة الأولى من توفرها ، كانت سرعة التحويل السريع للأجهزة الجديدة - حتى 10 مرات أسرع من أجهزة Si الموقرة MOSFET - كان السبب الرئيسي للمصممين لاستخدام GaN FETs.
المُقدّمة
نظرًا لأن تسعير أجهزة GaN تم تطبيعه مع ملف MOSFET، إلى جانب التوسع في مجموعة واسعة من الأجهزة المختلفة الجهد االكهربى التصنيفات وقدرات معالجة الطاقة ، تم تحقيق قبول أوسع بكثير في التطبيقات السائدة مثل محولات DC-DC لأجهزة الكمبيوتر ومحركات محركات الروبوتات والدراجات والدراجات البخارية الإلكترونية. قادت الخبرة المكتسبة من المتبنين الأوائل الطريق للوافدين اللاحقين إلى عالم GaN في الإنتاج بشكل أسرع.
هذه المقالة هي الأولى في سلسلة من المقالات تناقش ثلاثة موضوعات يمكن أن تساعد مصممي أنظمة الطاقة على تحقيق أقصى استفادة من تصميماتهم القائمة على GaN بأقل تكلفة. الموضوعات الثلاثة هي: (1) اعتبارات التخطيط. (2) تصميم حراري لمعالجة الطاقة القصوى ؛ و (3) تقنيات تقليل EMI بأقل تكلفة.
الحث الطفيلي بسبب سرعة التحويل العالية للجاليوم
استخدام الجاليوم في ترددات أعلى من قوة الشيخوخة MOSFET قادر على تسليط الضوء على الآثار المهينة للحث الطفيلي في تحويل الطاقة الدارة الكهربائية [1]. يعيق هذا الحث استخلاص الاستفادة الكاملة من قدرات التحويل فائقة السرعة لـ GaN مع انخفاض توليد EMI. بالنسبة لتكوين نصف الجسر، والذي يستخدم في حوالي 80٪ من محولات الطاقة، فإن المصدرين الرئيسيين للتحريض الطفيلي هما: (1) حلقة الطاقة عالية التردد التي تتكون من جهازي تبديل الطاقة إلى جانب الناقل عالي التردد مكثف و (2) حلقة محرك البوابة المكونة من محرك البوابة وجهاز الطاقة ومكثف محرك البوابة عالي التردد. يتم تعريف محاثة المصدر المشترك (CSI) من خلال جزء محاثة الحلقة المشتركة في كل من حلقة البوابة وحلقة الطاقة. يشار إليه بواسطة الأسهم في الشكل 1.
الشكل 1: رسم تخطيطي لمرحلة طاقة نصف الجسر تُظهر حلقات محرك الطاقة والبوابة مع محاثة المصدر الشائعة الموضحة في الدوائر المنقطة
التقليل من الحث الطفيلي
يعد تقليل جميع الحثيات الطفيلية أمرًا حيويًا عند التفكير في تصميم أجهزة الطاقة عالية السرعة. لا يمكن تقليل الكل مكونات من المحاثة بالتساوي ، وبالتالي ، يجب معالجتها بالترتيب من حيث الأهمية ، بدءًا من محاثة المصدر المشترك ، ثم محاثة حلقة الطاقة ، وأخيرًا محاثة حلقة البوابة.
لارتفاعالجهد االكهربى PQFN (Power Quad Flat بدون سلك) MOSFET الحزم، فإن الحاجة إلى منفذ مصدر منفصل لبوابة العودة معروفة جيدًا ويتم تنفيذها أيضًا في هياكل GaN PQFN ذات الجهد العالي [2,3،XNUMX]. عندما تتوفر هذه المسامير المنفصلة، يتم فصل حلقة محرك البوابة وحلقة الطاقة داخل العبوة ويجب توخي الحذر الشديد في كيفية توصيلهما خارجيًا.
يأتي الانخفاض في محاثة المصدر المشترك على حساب تحريض المصدر الخارجي ، مدفوعًا خارج حلقة البوابة. يمكن أن يؤدي هذا المحاثة الخارجية إلى زيادة الارتداد الأرضي بسبب السرعة المحسنة للجهاز بمجرد إزالة تحريض المصدر المشترك [4].
تتوفر ترانزستورات GaN في وضع التحسين في حزمة رقاقة مستوى رقاقة (WLCSP) مع أطراف في تنسيق مصفوفة الشبكة الأرضية (LGA) أو مصفوفة شبكة الكرة (BGA). لا تقدم بعض هذه الأجهزة دبوسًا منفصلاً لمصدر البوابة والعودة ، بل توفر عددًا من توصيلات الحث المنخفضة جدًا كما هو موضح في الشكل 2. غالبًا ما يكون مجموع محاثة الحزمة لهذه الحزم أقل من 100 درجة حموضة. هذا يقلل بشكل كبير من جميع مكونات الحث ، وبالتالي يقلل من جميع المشاكل المتعلقة بالحث. يمكن التعامل مع حزم LGA و BGA هذه بنفس الطريقة التي يتم بها التعامل مع الحزم المزودة بمسمار أو قضيب عودة بوابة مخصص عن طريق تخصيص وسادات المصدر الأقرب إلى البوابة لتعمل كنقطة اتصال "نجمية" لكل من حلقة البوابة وحلقة الطاقة. ثم يتم فصل تصميم البوابة وحلقات الطاقة عن طريق جعل التيارات تتدفق في اتجاهات معاكسة أو متعامدة كما هو موضح في الشكل 2.
الشكل 2: ترانزستورات GaN بتنسيقات LGA (a) و BGA (b) توضح اتجاه تدفق تيار الجهاز الذي يقلل من حث المصدر المشترك
أثناء تقليل محاثة العناصر الفردية التي تشكل الحلقة (على سبيل المثال ، مكثف ESL ، ومحاثة قيادة الجهاز ، و ثنائي الفينيل متعدد الكلور محث التوصيل البيني) مهم ، يجب على المصممين التركيز أيضًا على تقليل محاثة الحلقة الكلية. نظرًا لأن محاثة الحلقة يتم تحديدها بواسطة الطاقة المغناطيسية المخزنة بداخلها ، فمن الممكن تقليل محاثة الحلقة الكلية باستخدام الاقتران بين الموصلات المجاورة للحث على الإلغاء الذاتي للمجال المغناطيسي.
من خلال تشذير محطات الصرف والمصدر على جانب واحد من الجهاز ، يتم إنشاء عدد من الحلقات الصغيرة ذات التيارات المتعارضة والتي ستقلل الحث الكلي من خلال الإلغاء الذاتي للمجال المغناطيسي. هذا لا ينطبق فقط على آثار ثنائي الفينيل متعدد الكلور الموضحة في الشكل 3 (أ) ، ولكن أيضًا بالنسبة لتوصيلات اللحام العمودي وفتحات توصيل الطبقة البينية الموضحة في الشكل 3 (ب). مع تشكيل عدة حلقات صغيرة لإلغاء المجال المغناطيسي ، تقل الطاقة المغناطيسية الكلية ، وبالتالي الحث ، بشكل كبير [5].
الشكل 3: ترانزستور LGA GaN المثبت على PCB يُظهر تدفق التيار المتردد (أ) منظر علوي (ب) منظر جانبي
يمكن إجراء مزيد من التخفيض في محاثة الحلقة الجزئية عن طريق إخراج تيارات الصرف والمصدر على جانبي الجهاز من الخط المركزي وتكرار تأثير إلغاء المجال المغناطيسي. يعمل هذا عن طريق تقليل التيار في كل موصل ، وبالتالي تقليل الطاقة المخزنة بشكل أكبر ، وينتج عن مسار التيار الأقصر تحريض أقل.
تصاميم حلقة الطاقة التقليدية
لمعرفة كيف يمكن تحقيق تقليل محاثة حلقة الطاقة في تخطيط فعلي ، يتم تقديم طريقتين تقليديتين لحلقات الطاقة للمقارنة. سيطلق على هذين النهجين اسم "الجانبي" و "الرأسي" على التوالي.
تصميم حلقة الطاقة الجانبية
يضع التخطيط الجانبي مكثفات الإدخال والأجهزة على نفس الجانب من PCB على مقربة لتقليل مساحة حلقة الطاقة عالية التردد. توجد الحلقة عالية التردد لهذا التصميم على نفس الجانب من PCB وتعتبر حلقة طاقة جانبية، نظرًا لأن حلقة الطاقة تتدفق أفقيًا على طبقة PCB واحدة. يظهر في الشكل 4 مثال للتخطيط الجانبي باستخدام تصميم ترانزستور LGA. يتم تسليط الضوء على حلقة التردد العالي في هذا الشكل.
الشكل 4: حلقة الطاقة الجانبية التقليدية لـ LGA GaN transistorbased محول: (أ) منظر علوي (ب) منظر جانبي
في حين أن تقليل الحجم المادي للحلقة أمر مهم لتقليل الحث الطفيلي ، فإن تصميم الطبقات الداخلية أمر بالغ الأهمية أيضًا. بالنسبة لتصميم حلقة الطاقة الجانبية ، تعمل الطبقة الداخلية الأولى كـ "طبقة درع". تلعب هذه الطبقة دورًا مهمًا في حماية الدوائر الداخلية من الحقول الناتجة عن حلقة الطاقة عالية التردد. تولد حلقة الطاقة مجالًا مغناطيسيًا يحفز تيارًا في طبقة الدرع يتدفق في الاتجاه المعاكس لحلقة الطاقة. يولد التيار في طبقة الدرع مجالًا مغناطيسيًا لمقاومة المجال المغناطيسي لحلقة الطاقة الأصلية. والنتيجة النهائية هي إلغاء المجالات المغناطيسية التي تترجم إلى انخفاض في محاثة حلقة الطاقة الطفيلية.
ينتج عن وجود مستوى درع كامل بالقرب من حلقة الطاقة أدنى محاثة حلقة طاقة للتخطيط الجانبي. يعتمد هذا الأسلوب بشدة على المسافة من حلقة الطاقة إلى طبقة الدرع الموجودة في الطبقة الداخلية الأولى [6]. طالما أن الطبقتين العلويتين على مقربة شديدة ، فإن محاثة الحلقة عالية التردد تظهر القليل من الاعتماد على سمك اللوحة الكلي.
تصميم حلقة الطاقة العمودية
التخطيط التقليدي الثاني ، الموضح في الشكل 5 ، يضع المدخلات المكثفات والترانزستورات على الجانبين المتقابلين من PCB، مع وجود المكثفات مباشرة أسفل الأجهزة لتقليل حجم الحلقة الفعلية. وهذا ما يسمى بحلقة الطاقة العمودية لأن الحلقة متصلة عموديًا عبر PCB باستخدام طرق التوصيل. يتميز تصميم ترانزستور LGA الموضح في الشكل 5 بحلقة الطاقة العمودية المميزة.
الشكل 5: حلقة الطاقة الرأسية التقليدية للمحول المعتمد على ترانزستور LGA: (أ) المنظر العلوي (ب) المنظر السفلي (ج) المنظر الجانبي
بالنسبة لهذا التصميم ، لا توجد طبقة درع بسبب هيكلها الرأسي. تستخدم حلقة الطاقة العمودية طريقة الإلغاء الذاتي للمجال المغناطيسي (مع تدفق التيارات في اتجاهين متعاكسين) لتقليل الحث ، بدلاً من استخدام مستوى الدرع.
بالنسبة لتخطيط PCB ، يكون سمك اللوحة عمومًا أرق بكثير من الطول الأفقي للآثار على الجانبين العلوي والسفلي للوحة. مع انخفاض سمك اللوحة ، تتقلص مساحة الحلقة بشكل كبير مقارنة بحلقة الطاقة الجانبية ، ويبدأ التيار المتدفق في اتجاهات متعارضة على الطبقتين العلوية والسفلية في توفير إلغاء ذاتي للحقل المغناطيسي. لكي تكون حلقة الطاقة العمودية أكثر فاعلية ، يجب تقليل سمك اللوحة.
تحسين حلقة الطاقة
تقنية تخطيط محسّنة توفر مزايا تقليل حجم الحلقة ، وإلغاء المجال المغناطيسي الذاتي ، ولها محاثة مستقلة عن سماكة اللوحة ، وتصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور أحادي الجانب ، وتنتج كفاءة عالية لهيكل متعدد الطبقات ، هو مبين في الشكل 6. يستخدم التصميم الطبقة الداخلية الأولى ، كما هو موضح في الشكل 6 (ب) ، كمسار عودة حلقة الطاقة. يقع مسار العودة هذا مباشرة أسفل حلقة الطاقة للطبقة العليا ، كما هو موضح في الشكل 6 (أ). يحقق هذا الموضع أصغر منطقة حلقة مادية مقترنة بالإلغاء الذاتي للمجال المغناطيسي. يوضح العرض الجانبي ، الموضح في الشكل 6 (ج) ، مفهوم إنشاء حلقة إلغاء ذاتية للمجال المغناطيسي منخفضة المستوى في هيكل ثنائي الفينيل متعدد الكلور متعدد الطبقات.
الشكل 6: حلقة الطاقة المثالية للمحول المعتمد على ترانزستور LGA: (أ) العرض العلوي (ب) العرض العلوي للطبقة الداخلية 1 (ج) العرض الجانبي
هذا التخطيط المحسن يضع المدخلات المكثفات على مقربة من الجهاز العلوي، مع وجود أطراف جهد الدخل الموجب بجوار وصلات التصريف الخاصة بالترانزستور العلوي. توجد أجهزة GaN في الترتيب كما هو الحال في حالات حلقة الطاقة الجانبية والرأسية. يتم تكرار عقدة المحث المتداخلة والمنافذ الأرضية على الجانب السفلي من ترانزستور المقوم المتزامن.
توفر هذه الممرات المتداخلة ثلاث مزايا: • تشذير الممرات مع تدفق التيار في الاتجاه المعاكس يقلل من تخزين الطاقة المغناطيسية ويساعد على توليد إلغاء المجال المغناطيسي. يؤدي هذا إلى تقليل تأثيرات الدوامة والقرب، وبالتالي تقليل خسائر توصيل التيار المتردد. • تعمل الفتحات الموجودة أسفل الترانزستور السفلي على تقليل المقاومة وفقدان التوصيل المصاحب أثناء فترة تحرر الترانزستور. • تعمل الفتحات على تقليل مقاومة الانتشار الحراري، وبالتالي زيادة الكفاءة والتعامل مع الطاقة.
تتم مقارنة خصائص التصميمات التقليدية والمثالية في الجدول 1. الحلقة الجانبية الحلقة العمودية الحلقة المثلى قدرة PCB أحادية الجانب نعم لا نعم الإلغاء الذاتي للمجال المغناطيسي لا نعم نعم الحث مستقل عن سمك اللوحة نعم لا نعم طبقة الدرع مطلوبة نعم لا لا الجدول 1: خصائص تصاميم حلقة الطاقة التقليدية والمثالية.
تأثير التكامل على الطفيليات
لمزيد من تقليل الحث الطفيلي للتصميمات القائمة على ترانزستور GaN، تتوفر دوائر متكاملة لمرحلة طاقة GaN المتجانسة [7]. في الشكل 7، يظهر رسم تخطيطي وصورة شريحة فعلية لمرحلة الطاقة المتجانسة GaN IC. تتم مقارنة الكفاءة المقاسة تجريبيًا لهذه الدائرة المتكاملة المتجانسة، الموضحة في الشكل 8، بدائرة منفصلة تستخدم ترانزستورات eGaN® لها نفس المقاومة ويتم تشغيلها بواسطة uPI أشباه الموصلات uP1966 Si نصف الجسر IC [7] في التخطيط الأمثل. تصبح مزايا حلقة الطاقة المخفضة ومحاثة حلقة البوابة في GaN ic واضحة حيث أن مكاسب الكفاءة الإجمالية من التكامل تكون كبيرة عند 1 ميجاهرتز في محول باك قياسي.
الشكل 7: رسم تخطيطي لمرحلة الطاقة المتجانسة (أ) وصورة الرقاقة (ب)
الشكل 8: مقارنة الكفاءة بين مرحلة طاقة GaN المتجانسة (باللون الأخضر) ومحلول الترانزستورات GaN المنفصلة المكافئة التي يتم تشغيلها خارجيًا (الأزرق) في محول باك 48 فولت - 12 فولت عند 1 ميجاهرتز (خطوط صلبة) و 2.5 ميجاهرتز (خطوط متقطعة) . أفضل ما تم الإبلاغ عنه هو علامة "X" السوداء MOSFET الأداء عند 1 ميجا هرتز.
نبذة عامة
سيقلل تخطيط الدائرة الفعال من مساحة ثنائي الفينيل متعدد الكلور ، ويقلل من تبديد الطاقة المهدر بسبب سرعات التحويل البطيئة التي تحدها الحثيات الطفيلية ، ويحسن موثوقية النظام بسبب انخفاض الجهد الزائد. تمت مناقشة طفيليات التخطيط التي تعتبر مهمة عند استخدام ترانزستورات GaN ؛ وهي الحث المشترك المصدر ، ومحاثة حلقة الطاقة عالية التردد ، ومحاثة حلقة البوابة.
تمت مراجعة العديد من الطرق لتقليل هذه الطفيليات المثبطة للأداء ، بدءًا من الترانزستور الفردي الأساسي من خلال مرحلة طاقة متكاملة متجانسة من الجاليوم. في المقالات المستقبلية ، سيتم بناء تقنيات التخطيط التي تمت مناقشتها في هذه المقالة لإظهار التصميم الأمثل لأنظمة الإدارة الحرارية وكيفية إنشاء أنظمة EMI منخفضة ، وكل ذلك باستخدام ترانزستورات GaN و ICs الحديثة على نطاق الرقاقة.