Semikonduktor Gallium nitrida (GaN) telah berkembang pesat sejak pertama kali menjadi layak secara komersial sebagai dioda pemancar cahaya (LED) biru yang sangat terang pada awal tahun 1990an dan, selanjutnya, menjadi inti teknologi untuk pemutar disk optik Blu-ray. Diperlukan waktu hampir dua dekade sebelum teknologi ini layak secara komersial untuk transistor efek medan (FET) dengan efisiensi daya tinggi.
GaN kini mewakili salah satu segmen dengan pertumbuhan tercepat di dunia semikonduktor industri, dengan perkiraan pertumbuhan tahunan gabungan berkisar antara 25% hingga 50%, didorong oleh permintaan akan perangkat dengan efisiensi energi yang lebih besar untuk memenuhi tujuan keberlanjutan dan elektrifikasi.
Transistor GaN dapat digunakan untuk merancang perangkat yang lebih kecil dan berefisiensi lebih tinggi daripada transistor silikon. Awalnya digunakan untuk sistem penguat gelombang mikro berdaya tinggi, skala ekonomi dalam fabrikasi GaN dan kemampuan untuk membuat amplifier yang kecil dan lebih kuat telah memperluas penggunaan untuk menciptakan pasar perangkat bernilai miliaran dolar yang mencakup aplikasi konsumen, industri, dan militer.
MOSFET silikon diyakini secara luas telah mencapai batas teoretisnya untuk elektronika daya, sementara FET GaN masih memiliki potensi besar untuk peningkatan kinerja lebih lanjut. Semikonduktor GaN paling umum menggunakan substrat silikon karbida (SiC), diikuti oleh silikon, yang lebih ekonomis, atau berlian, yang memiliki kinerja terbaik dan termahal. Perangkat GaN beroperasi pada suhu yang lebih tinggi dengan mobilitas dan kecepatan elektron yang lebih tinggi dibandingkan perangkat berbasis silikon dan dengan biaya pemulihan balik yang rendah atau nol.
Semikonduktor daya GaN memiliki kepadatan daya sekitar lima kali lipat semikonduktor penguat daya gallium arsenide (GaAs). Dengan efisiensi daya sebesar 80% atau lebih, semikonduktor GaN memberikan daya, bandwidth, dan efisiensi yang unggul dibandingkan alternatif seperti GaAs dan semikonduktor oksida logam terdifusi lateral (LDMOS). Teknologi ini kini digunakan dalam beragam aplikasi mulai dari adaptor daya pengisian cepat hingga perangkat pendeteksi dan jangkauan cahaya (LiDAR) yang dimasukkan ke dalam sistem bantuan pengemudi tingkat lanjut (ADAS) untuk mobil.
Pusat data mewakili pasar berkembang lainnya untuk perangkat berbasis GaN yang dapat memenuhi peningkatan konsumsi daya dan kebutuhan pendinginan dengan biaya lebih rendah, serta membantu mengatasi perselisihan lingkungan yang semakin meningkat yang dihadapi oleh operator di bidang peraturan dan politik.
Produsen semikonduktor dan firma riset pasar juga memproyeksikan pasar yang berkembang untuk aplikasi tegangan rendah dan tinggi pada kendaraan listrik, mulai dari baterai yang lebih efisien hingga inverter traksi baterai.
Area tersebut hingga saat ini didominasi oleh perangkat SiC, yang, seperti GaN, diklasifikasikan sebagai semikonduktor wide-bandgap (WBG) dengan mobilitas elektron tinggi yang “memungkinkan komponen elektronika daya menjadi lebih kecil, lebih cepat, lebih andal, dan lebih efisien dibandingkan produk berbasis silikon (Si).” GaN memiliki celah pita 3.4 eV, dibandingkan dengan 2.2 eV untuk SiC dan 1.12 eV untuk SI.
Semikonduktor daya GaN dan SiC beroperasi pada frekuensi yang lebih tinggi dan memiliki kecepatan peralihan yang lebih cepat serta ketahanan konduksi yang lebih rendah dibandingkan silikon. Perangkat SiC dapat beroperasi pada voltase lebih tinggi, sementara perangkat GaN menyediakan peralihan lebih cepat dengan energi lebih rendah, sehingga memungkinkan perancang mengurangi ukuran dan berat. SiC dapat mendukung hingga 1,200 volt, sedangkan GaN secara umum dipandang lebih sesuai untuk hingga 650 volt, meskipun perangkat bertegangan lebih tinggi baru-baru ini diperkenalkan.
GaN dapat menyediakan daya rentang frekuensi sekitar 10 kali lipat dibandingkan dengan GaAs dan semikonduktor lainnya (Gambar 1).
Pertimbangan desain
Diperkirakan 70% atau lebih energi listrik yang dikonsumsi di seluruh dunia diproses oleh elektronika daya. Dengan karakteristik WBG GaN, perancang dapat menciptakan sistem elektronika daya yang lebih kecil, memanfaatkan kepadatan daya yang lebih tinggi, efisiensi yang unggul, dan kecepatan peralihan yang sangat cepat.
Teknologi ini memungkinkan inovasi di berbagai pasar, antara lain termasuk elektronika daya, otomotif, penyimpanan energi surya, dan pusat data. Sangat tahan terhadap radiasi, perangkat GaN sangat cocok untuk aplikasi militer dan ruang angkasa yang sedang berkembang.
Beberapa desainer elektronik mungkin menghindari perangkat listrik GaN karena kesalahan persepsi mengenai harga bahan. Meskipun fabrikasi substrat GaN pada awalnya jauh lebih tinggi daripada Si, perbedaan tersebut telah berkurang secara signifikan, dan pemanfaatan substrat yang berbeda memberikan para perancang kemampuan untuk menemukan trade-off terbaik antara biaya dan kinerja.
GaN-on-SiC menawarkan potensi pasar terluas bagi para desainer dengan pengorbanan terbaik dalam hal biaya dan kinerja. Namun, dengan opsi GaN-on-Si dan GaN-on-diamond, desainer produk dapat memilih substrat yang paling tepat untuk memenuhi kebutuhan harga/kinerja organisasi dan pelanggan mereka.
Karena tingkat peralihan GaN yang sangat tinggi, perancang perlu memberikan perhatian khusus pada interferensi elektromagnetik (EMI) dan bagaimana hal ini dapat dikurangi dalam tata letak power-loop. Driver gerbang aktif, yang penting untuk mencegah kelebihan tegangan, dapat mengurangi EMI dari peralihan bentuk gelombang.
Masalah desain utama lainnya adalah induktansi dan kapasitansi parasit yang dapat mengakibatkan pemicuan yang salah. Pemaksimalan keunggulan performa bergantung pada tata letak optimal power loop lateral dan vertikal serta kesesuaian kecepatan pengemudi dengan kecepatan perangkat.
Desainer juga harus mengoptimalkan manajemen termal untuk mencegah pemanasan berlebihan yang dapat mengganggu kinerja dan keandalan. Kemasan harus dievaluasi kemampuannya dalam mengurangi induktansi dan menghilangkan panas.
Perangkat Analog sumber penguat daya GaN
Elektronik sistem memerlukan konversi antara tegangan pasokan energi dan tegangan sirkuit yang perlu diberi daya. Perusahaan semikonduktor terkemuka sejak lama, Analog Devices, Inc. (ADI) bertujuan untuk memberikan kinerja penguat daya GaN yang terdepan di industri ditambah dengan dukungan, memungkinkan para desainer mencapai target kinerja terbaik dan membawa solusi mereka ke pasar lebih cepat.
Penggerak gerbang dan pengontrol step-down (atau buck) sangat penting untuk memaksimalkan manfaat perangkat listrik GaN. Driver GaN setengah jembatan meningkatkan kinerja peralihan dan efisiensi sistem tenaga secara keseluruhan. Konverter step-down DC-ke-DC mengubah tegangan masukan yang lebih tinggi ke tegangan keluaran yang lebih rendah.
ADI menawarkan LT8418, driver GaN setengah jembatan 100 V yang mengintegrasikan tahapan driver atas dan bawah, kontrol logika driver, perlindungan, dan sakelar bootstrap (Gambar 2). Ini dapat dikonfigurasi menjadi buck setengah jembatan sinkron, atau meningkatkan topologi. Driver gerbang terpisah menyesuaikan laju perubahan tegangan nyala dan mati GaN FET untuk mengoptimalkan kinerja EMI.
Input dan output driver ADI GaN menampilkan status rendah default untuk mencegah pengaktifan FET GaN yang salah. Dengan penundaan propagasi cepat 10 ns, bersama dengan pencocokan penundaan 1.5 ns antara saluran atas dan bawah, LT8418 cocok untuk konverter DC/DC frekuensi tinggi, driver motor, amplifier audio kelas D, catu daya pusat data, dan beragam aplikasi listrik di pasar konsumen, industri, dan otomotif.
LTC7890 dan LTC7891 (Gambar 3) masing-masing berkinerja tinggi, ganda dan tunggal, peralihan DC-ke-DC step-down pengatur pengontrol untuk menggerakkan tahapan daya GaN FET sinkron saluran-N dari tegangan input hingga 100 V. Ditujukan untuk mengatasi banyak tantangan yang dihadapi desainer dalam menggunakan GaN FET, pengontrol ini menyederhanakan desain aplikasi dengan tidak memerlukan dioda perlindungan atau komponen eksternal tambahan lainnya yang biasanya digunakan dalam silikon MOSFET solusi.
Setiap pengontrol memberi desainer kemampuan untuk secara tepat menyesuaikan tegangan driver gerbang dari 4 V ke 5.5 V untuk mengoptimalkan kinerja dan memungkinkan penggunaan FET GaN dan MOSFET tingkat logika yang berbeda. Sakelar bootstrap pintar internal mencegah pengisian berlebih pada pin BOOSTx ke pasokan driver sisi tinggi pin SWx selama waktu mati, melindungi gerbang GaN FET atas.
Kedua komponen secara internal mengoptimalkan waktu driver gerbang pada kedua tepi peralihan untuk waktu mati mendekati nol, meningkatkan efisiensi, dan memungkinkan pengoperasian frekuensi tinggi. Desainer juga dapat menyesuaikan waktu mati dengan resistor eksternal. Perangkat ini tersedia dengan sisi samping yang dapat dibasahi dalam paket quad flat no-lead (QFN). Skema menggambarkan rangkaian aplikasi tipikal dengan konfigurasi LTC40 6-lead, 6 mm x 7890 mm (Gambar 4) dan 28-lead, LTC4 5 mm x 7891 mm (Gambar 5).
Desainer juga dapat memanfaatkan portofolio alat manajemen daya ADI untuk mencapai sasaran kinerja pasokan daya dan mengoptimalkan papan. Perangkat ini mencakup kalkulator resistor buck variabel, konfigurator daya rantai sinyal, dan lingkungan pengembangan berbasis Windows.
Kesimpulan
GaN adalah bahan semikonduktor transformatif yang digunakan untuk memproduksi komponen dengan kepadatan daya tinggi, kecepatan peralihan sangat cepat, dan efisiensi daya yang unggul. Perancang produk dapat memanfaatkan produk driver gerbang GaN FET ADI untuk menciptakan sistem yang lebih andal dan efisien dengan komponen yang lebih sedikit, sehingga menghasilkan sistem yang lebih kecil dengan jejak kaki dan bobot yang lebih sedikit.