I semiconduttori al nitruro di gallio (GaN) hanno fatto molta strada da quando sono diventati commercialmente validi come diodi a emissione di luce blu (LED) altamente luminosi all'inizio degli anni '1990 e, successivamente, come nucleo la tecnologia per lettori di dischi ottici Blu-ray. Sarebbero passati quasi due decenni prima che la tecnologia fosse commercialmente fattibile per i transistor ad effetto di campo (FET) ad alta efficienza energetica.
Il GaN rappresenta ora uno dei segmenti in più rapida crescita del settore semiconduttore settore, con stime di crescita annua composte che vanno dal 25% al 50%, guidate dalla domanda di dispositivi con maggiore efficienza energetica per raggiungere gli obiettivi di sostenibilità ed elettrificazione.
I transistor GaN possono essere utilizzati per progettare dispositivi più piccoli e ad alta efficienza rispetto ai transistor al silicio. Inizialmente utilizzato per sistemi di amplificatori a microonde ad alta potenza, le economie di scala nella fabbricazione di GaN e la capacità di creare amplificatori piccoli e più potenti hanno ampliato l'utilizzo per creare un mercato di dispositivi multimiliardari che abbraccia applicazioni consumer, industriali e militari.
È opinione diffusa che i MOSFET al silicio abbiano raggiunto i loro limiti teorici per l'elettronica di potenza, mentre i FET GaN hanno ancora un grande potenziale per ulteriori miglioramenti delle prestazioni. I semiconduttori GaN utilizzano più comunemente substrati di carburo di silicio (SiC), seguiti dal silicio, che è più economico, o dal diamante, che è il più performante e il più costoso. I dispositivi GaN funzionano a temperature più elevate con mobilità e velocità degli elettroni più elevate rispetto ai dispositivi a base di silicio e con carica di recupero inverso bassa o nulla.
I semiconduttori di potenza GaN presentano una densità di potenza circa cinque volte superiore a quella dei semiconduttori dell'amplificatore di potenza all'arseniuro di gallio (GaAs). Con un'efficienza energetica pari o superiore all'80%, i semiconduttori GaN forniscono potenza, larghezza di banda ed efficienza superiori rispetto ad alternative come GaAs e semiconduttori a ossido di metallo a diffusione laterale (LDMOS). La tecnologia è ora utilizzata in diverse applicazioni che vanno dagli adattatori di alimentazione a ricarica rapida ai dispositivi di rilevamento e rilevamento della luce (LiDAR) incorporati nei sistemi avanzati di assistenza alla guida (ADAS) per le automobili.
I data center rappresentano un altro mercato emergente per i dispositivi basati su GaN in grado di soddisfare i crescenti requisiti di consumo energetico e raffreddamento a costi inferiori, oltre a contribuire ad affrontare le crescenti controversie ambientali affrontate dagli operatori in ambito normativo e politico.
I produttori di semiconduttori e le società di ricerche di mercato prevedono inoltre un mercato in crescita per le applicazioni a bassa e alta tensione nei veicoli elettrici, dalle batterie più efficienti agli inverter per trazione.
Si tratta di un'area che, fino ad oggi, è stata dominata dai dispositivi SiC che, come il GaN, sono classificati come semiconduttori a banda larga (WBG) con elevata mobilità degli elettroni che "consentono ai componenti elettronici di potenza di essere più piccoli, più veloci, più affidabili e più affidabili". più efficienti delle loro controparti basate sul silicio (Si). GaN ha una banda proibita di 3.4 eV, rispetto a 2.2 eV per SiC e 1.12 eV per SI.
I semiconduttori di potenza GaN e SiC funzionano a frequenze più elevate e hanno velocità di commutazione più elevate e una resistenza di conduzione inferiore rispetto al silicio. I dispositivi SiC possono funzionare a tensioni più elevate, mentre i dispositivi GaN forniscono una commutazione più rapida con un'energia inferiore, consentendo ai progettisti di ridurre dimensioni e peso. Il SiC può supportare fino a 1,200 volt, mentre il GaN è generalmente considerato più appropriato fino a 650 volt, sebbene recentemente siano stati introdotti dispositivi a tensione più elevata.
Il GaN può fornire circa 10 volte la potenza nella gamma di frequenza rispetto al GaAs e ad altri semiconduttori (Figura 1).
Considerazioni sul design
Si stima che il 70% o più dell'energia elettrica consumata in tutto il mondo venga elaborata dall'elettronica di potenza. Con le caratteristiche WBG del GaN, i progettisti possono creare sistemi elettronici di potenza più piccoli, utilizzando una maggiore densità di potenza, un'efficienza superiore e velocità di commutazione ultraveloci.
La tecnologia consente l’innovazione in molteplici mercati, tra cui l’elettronica di potenza, l’automotive, lo stoccaggio dell’energia solare e i data center, tra gli altri. Altamente resistenti alle radiazioni, i dispositivi GaN sono particolarmente adatti alle applicazioni militari e aerospaziali emergenti.
Alcuni progettisti elettronici potrebbero essersi allontanati dai dispositivi di potenza GaN a causa di percezioni errate riguardo al costo dei materiali. Sebbene inizialmente la fabbricazione del substrato GaN fosse molto più elevata di quella del Si, tale differenza è diminuita considerevolmente e l’utilizzo di substrati diversi offre ai progettisti la possibilità di trovare il miglior compromesso tra costi e prestazioni.
GaN-on-SiC offre il più ampio potenziale di mercato per i progettisti con il miglior compromesso tra costi e prestazioni. Tuttavia, con le opzioni GaN-on-Si e GaN-on-diamond, i progettisti di prodotti possono selezionare il substrato più appropriato per soddisfare le esigenze di prezzo/prestazioni delle loro organizzazioni e dei clienti.
A causa delle velocità di commutazione molto elevate del GaN, i progettisti devono prestare particolare attenzione alle interferenze elettromagnetiche (EMI) e a come possono essere mitigate nel layout del circuito di alimentazione. I gate driver attivi, essenziali per prevenire il superamento della tensione, possono ridurre l'EMI derivante dalla commutazione delle forme d'onda.
Un altro problema chiave di progettazione è l'induttanza e la capacità parassite che possono provocare falsi trigger. La massimizzazione dei vantaggi prestazionali dipende dalla disposizione ottimale dei circuiti di alimentazione laterali e verticali e dall'adattamento della velocità del conducente alla velocità del dispositivo.
I progettisti devono inoltre ottimizzare la gestione termica per evitare un riscaldamento eccessivo che possa compromettere prestazioni e affidabilità. L'imballaggio dovrebbe essere valutato in base alla sua capacità di ridurre le induttanze e dissipare il calore.
Analog Devices genera amplificatori di potenza GaN
Elettronico i sistemi richiedono la conversione tra la tensione dell'alimentazione elettrica e la tensione del circuito che deve essere alimentato. Analog Devices, Inc. (ADI), azienda leader da lungo tempo nel settore dei semiconduttori, mira a fornire prestazioni di amplificatori di potenza GaN leader del settore abbinate al supporto, consentendo ai progettisti di raggiungere obiettivi prestazionali massimi e di immettere le loro soluzioni sul mercato più rapidamente.
I gate driver e i controller step-down (o buck) sono essenziali per massimizzare i vantaggi dei dispositivi di potenza GaN. I driver GaN a mezzo ponte migliorano le prestazioni di commutazione e l'efficienza complessiva dei sistemi di alimentazione. I convertitori step-down CC-CC convertono una tensione di ingresso più elevata in una tensione di uscita più bassa.
ADI offre LT8418, un driver GaN a mezzo ponte da 100 V che integra stadi driver superiore e inferiore, controllo logico del driver, protezioni e un interruttore di bootstrap (Figura 2). Può essere configurato in topologie buck half-bridge sincrone o boost. I driver a gate diviso regolano le velocità di rotazione di accensione e spegnimento dei FET GaN per ottimizzare le prestazioni EMI.
Gli ingressi e le uscite del driver GaN ADI presentano uno stato basso predefinito per impedire la falsa accensione dei FET GaN. Con un rapido ritardo di propagazione di 10 ns, insieme a un ritardo di adattamento di 1.5 ns tra i canali superiore e inferiore, l'LT8418 è adatto per convertitori CC/CC ad alta frequenza, driver di motori, amplificatori audio di classe D, alimentatori per data center, e un'ampia gamma di applicazioni di potenza nei mercati consumer, industriale e automobilistico.
L'LTC7890 e l'LTC7891 (Figura 3) sono dispositivi con commutazione DC-DC step-down, rispettivamente dual e single, ad alte prestazioni regolatore controller per il pilotaggio degli stadi di potenza GaN FET sincroni a canale N da tensioni di ingresso fino a 100 V. Mirati ad affrontare molte delle sfide che i progettisti devono affrontare utilizzando i FET GaN, questi controller semplificano la progettazione dell'applicazione non richiedendo diodi di protezione o altri componenti esterni aggiuntivi tipicamente utilizzati nel silicio MOSFET soluzioni.
Ciascun controller offre ai progettisti la possibilità di regolare con precisione la tensione del gate driver da 4 V a 5.5 V per ottimizzare le prestazioni e consentire l'uso di diversi FET GaN e MOSFET a livello logico. Gli interruttori di bootstrap intelligenti interni impediscono il sovraccarico del pin BOOSTx sulle alimentazioni del driver high-side del pin SWx durante i tempi morti, proteggendo il gate del FET GaN superiore.
Entrambi i componenti ottimizzano internamente la temporizzazione del gate driver su entrambi i fronti di commutazione per tempi morti prossimi allo zero, migliorando l'efficienza e consentendo il funzionamento ad alta frequenza. I progettisti possono anche regolare i tempi morti con resistori esterni. I dispositivi sono disponibili con fianchi bagnabili laterali in contenitori quad flat senza piombo (QFN). Gli schemi illustrano i tipici circuiti applicativi con le configurazioni LTC40 da 6 conduttori, 6 mm x 7890 mm (Figura 4) e LTC28 da 4 conduttori, 5 mm x 7891 mm (Figura 5).
I progettisti possono anche sfruttare un portafoglio di strumenti di gestione dell'alimentazione ADI per raggiungere gli obiettivi prestazionali dell'alimentatore e ottimizzare le schede. Il set di strumenti include un calcolatore del resistore buck variabile, un configuratore di alimentazione della catena di segnali e un ambiente di sviluppo basato su Windows.
Conclusione
GaN è un materiale semiconduttore trasformativo utilizzato per produrre componenti con elevata densità di potenza, velocità di commutazione ultraveloci ed efficienza energetica superiore. I progettisti di prodotto possono sfruttare i prodotti gate driver GaN FET di ADI per creare sistemi più affidabili ed efficienti con meno componenti, ottenendo sistemi più piccoli con ingombro e peso ridotti.