Los semiconductores de nitruro de galio (GaN) han recorrido un largo camino desde que se volvieron comercialmente viables como diodos emisores de luz (LED) azules muy brillantes a principios de la década de 1990 y, posteriormente, como núcleo. la tecnología para reproductores de discos ópticos Blu-ray. Pasarían casi dos décadas antes de que la tecnología fuera comercialmente viable para los transistores de efecto de campo (FET) con alta eficiencia energética.
GaN representa ahora uno de los segmentos de más rápido crecimiento del sector. semiconductor industria, con estimaciones de crecimiento anual compuesto que oscilan entre el 25% y el 50%, impulsado por la demanda de dispositivos con mayor eficiencia energética para cumplir con los objetivos de sostenibilidad y electrificación.
Los transistores GaN se pueden utilizar para diseñar dispositivos más pequeños y de mayor eficiencia que los transistores de silicio. Inicialmente utilizado para sistemas de amplificadores de microondas de alta potencia, las economías de escala en la fabricación de GaN y la capacidad de crear amplificadores pequeños y más potentes han ampliado su uso para crear un mercado de dispositivos multimillonario que abarca aplicaciones de consumo, industriales y militares.
Se cree ampliamente que los MOSFET de silicio han alcanzado sus límites teóricos para la electrónica de potencia, mientras que los FET de GaN todavía tienen un gran potencial para mayores avances en el rendimiento. Los semiconductores de GaN utilizan con mayor frecuencia sustratos de carburo de silicio (SiC), seguidos del silicio, que es más económico, o del diamante, que es el de mejor rendimiento y el más caro. Los dispositivos de GaN funcionan a temperaturas más altas con mayor movilidad y velocidad de electrones que los dispositivos basados en silicio y con una carga de recuperación inversa baja o nula.
Los semiconductores de potencia GaN presentan aproximadamente cinco veces la densidad de potencia de los semiconductores amplificadores de potencia de arseniuro de galio (GaAs). Con una eficiencia energética del 80% o más, los semiconductores GaN proporcionan potencia, ancho de banda y eficiencia superiores a alternativas como GaAs y semiconductores de óxido metálico de difusión lateral (LDMOS). La tecnología ahora se utiliza en diversas aplicaciones que van desde adaptadores de corriente de carga rápida hasta dispositivos de detección y alcance de luz (LiDAR) incorporados en sistemas avanzados de asistencia al conductor (ADAS) para automóviles.
Los centros de datos representan otro mercado emergente para dispositivos basados en GaN que pueden satisfacer los crecientes requisitos de consumo de energía y enfriamiento a costos más bajos, así como ayudar a abordar las crecientes disputas ambientales que enfrentan los operadores en los ámbitos regulatorio y político.
Los fabricantes de semiconductores y las empresas de investigación de mercado también proyectan un mercado creciente para aplicaciones de bajo y alto voltaje en vehículos eléctricos, desde baterías más eficientes hasta inversores de tracción de batería.
Se trata de un área que, hasta la fecha, ha estado dominada por los dispositivos de SiC, que, como el GaN, se clasifican como semiconductores de banda prohibida ancha (WBG) con alta movilidad de electrones que "permiten que los componentes electrónicos de potencia sean más pequeños, más rápidos, más fiables y más fiables". más eficientes que sus homólogos basados en silicio (Si). GaN tiene una banda prohibida de 3.4 eV, en comparación con 2.2 eV del SiC y 1.12 eV del SI.
Los semiconductores de potencia de GaN y SiC funcionan a frecuencias más altas y tienen velocidades de conmutación más rápidas y una resistencia de conducción más baja que el silicio. Los dispositivos de SiC pueden funcionar a voltajes más altos, mientras que los dispositivos de GaN proporcionan una conmutación más rápida con menor energía, lo que permite a los diseñadores reducir el tamaño y el peso. El SiC puede soportar hasta 1,200 voltios, mientras que el GaN generalmente se considera más apropiado para hasta 650 voltios, aunque recientemente se han introducido dispositivos de mayor voltaje.
GaN puede proporcionar aproximadamente 10 veces la potencia del rango de frecuencia en comparación con GaAs y otros semiconductores (Figura 1).
Consideraciones de diseño
Se estima que el 70% o más de la energía eléctrica consumida en todo el mundo se procesa mediante electrónica de potencia. Con las características WBG de GaN, los diseñadores pueden crear sistemas electrónicos de potencia más pequeños, utilizando mayor densidad de potencia, eficiencia superior y velocidades de conmutación ultrarrápidas.
La tecnología permite la innovación en múltiples mercados, incluidos la electrónica de potencia, la automoción, el almacenamiento de energía solar y los centros de datos, entre otros. Altamente resistentes a la radiación, los dispositivos GaN son muy adecuados para aplicaciones militares y aeroespaciales emergentes.
Es posible que algunos diseñadores electrónicos se hayan alejado de los dispositivos de potencia de GaN debido a ideas erróneas sobre el costo de los materiales. Si bien la fabricación de sustrato de GaN fue inicialmente mucho mayor que la de Si, ese diferencial ha disminuido considerablemente y la utilización de diferentes sustratos brinda a los diseñadores la capacidad de encontrar la mejor relación entre costo y rendimiento.
GaN-on-SiC ofrece el potencial de mercado más amplio para los diseñadores con la mejor compensación entre costo y rendimiento. Sin embargo, con las opciones de GaN-on-Si y GaN-on-diamond, los diseñadores de productos pueden seleccionar el sustrato más apropiado para satisfacer las necesidades de precio/rendimiento de sus organizaciones y clientes.
Debido a las altísimas tasas de conmutación del GaN, los diseñadores deben prestar especial atención a la interferencia electromagnética (EMI) y a cómo se puede mitigar en el diseño del bucle de alimentación. Los controladores de puerta activos, que son esenciales para evitar sobretensiones, pueden reducir la EMI provocada por la conmutación de formas de onda.
Otro problema clave de diseño es la inductancia y capacitancia parásitas que pueden provocar una activación falsa. Maximizar las ventajas de rendimiento depende de la disposición óptima de los bucles de potencia laterales y verticales y de hacer coincidir la velocidad del conductor con la velocidad del dispositivo.
Los diseñadores también deben optimizar la gestión térmica para evitar un calentamiento excesivo que pueda comprometer el rendimiento y la confiabilidad. El embalaje debe evaluarse según su capacidad para reducir las inductancias y disipar el calor.
Fuentes de Analog Devices amplificadores de potencia GaN
Electronic Los sistemas requieren conversión entre el voltaje del suministro de energía y el voltaje del circuito que necesita ser alimentado. Analog Devices, Inc. (ADI), empresa líder en semiconductores desde hace mucho tiempo, tiene como objetivo ofrecer un rendimiento de amplificador de potencia GaN líder en la industria junto con soporte, lo que permite a los diseñadores alcanzar objetivos de rendimiento máximos y llevar sus soluciones al mercado más rápido.
Los controladores de puerta y los controladores reductores (o reductores) son esenciales para maximizar los beneficios de los dispositivos de potencia de GaN. Los controladores GaN de medio puente mejoran el rendimiento de conmutación y la eficiencia general de los sistemas de energía. Los convertidores reductores de CC a CC convierten un voltaje de entrada más alto en un voltaje de salida más bajo.
ADI ofrece el LT8418, un controlador GaN de medio puente de 100 V que integra etapas de controlador superior e inferior, control lógico del controlador, protecciones y un interruptor de arranque (Figura 2). Se puede configurar en topologías reductoras o boost síncronas de medio puente. Los controladores de puerta dividida ajustan las velocidades de encendido y apagado de los FET de GaN para optimizar el rendimiento de EMI.
Las entradas y salidas del controlador ADI GaN cuentan con un estado bajo predeterminado para evitar un encendido falso de los FET de GaN. Con un rápido retardo de propagación de 10 ns, junto con una coincidencia de retardo de 1.5 ns entre los canales superior e inferior, el LT8418 es adecuado para convertidores CC/CC de alta frecuencia, controladores de motor, amplificadores de audio de clase D, fuentes de alimentación de centros de datos, y una amplia gama de aplicaciones de energía en los mercados de consumo, industrial y automotriz.
El LTC7890 y el LTC7891 (Figura 3) son conmutadores reductores de CC a CC de alto rendimiento, duales y simples, respectivamente. organismo regulador Controladores para controlar etapas de potencia FET de GaN síncronas de canal N desde voltajes de entrada de hasta 100 V. Con el objetivo de abordar muchos de los desafíos que enfrentan los diseñadores al usar FET de GaN, estos controladores simplifican el diseño de la aplicación al no requerir diodos de protección u otros componentes externos adicionales que normalmente se usan. en silicio MOSFET automatizadas.
Cada controlador brinda a los diseñadores la capacidad de ajustar con precisión el voltaje del controlador de puerta de 4 V a 5.5 V para optimizar el rendimiento y permitir el uso de diferentes FET de GaN y MOSFET de nivel lógico. Los interruptores de arranque inteligentes internos evitan la sobrecarga del pin BOOSTx a los suministros del controlador del lado alto del pin SWx durante los tiempos muertos, protegiendo la puerta del FET de GaN superior.
Ambos componentes optimizan internamente la sincronización del controlador de puerta en ambos bordes de conmutación para lograr tiempos muertos casi nulos, lo que mejora la eficiencia y permite el funcionamiento de alta frecuencia. Los diseñadores también pueden ajustar los tiempos muertos con resistencias externas. Los dispositivos están disponibles con flancos laterales humectables en paquetes cuádruples planos sin plomo (QFN). Los esquemas ilustran circuitos de aplicación típicos con las configuraciones LTC40 de 6 conductores, 6 mm x 7890 mm (Figura 4) y LTC28 de 4 conductores, 5 mm x 7891 mm (Figura 5).
Los diseñadores también pueden aprovechar una cartera de herramientas de administración de energía de ADI para lograr objetivos de rendimiento de la fuente de alimentación y optimizar las placas. El conjunto de herramientas incluye una calculadora de resistencia reductora variable, un configurador de potencia de cadena de señal y un entorno de desarrollo basado en Windows.
Conclusión
GaN es un material semiconductor transformador que se utiliza para producir componentes con alta densidad de potencia, velocidades de conmutación ultrarrápidas y eficiencia energética superior. Los diseñadores de productos pueden aprovechar los productos de controlador de puerta GaN FET de ADI para crear sistemas más confiables y eficientes con menos componentes, lo que da como resultado sistemas más pequeños con espacio y peso reducidos.