מוליכים למחצה גליום ניטריד (GaN) עשו כברת דרך מאז שהפכו לבעלי קיימא מסחרית כדיודות פולטות אור כחולות (LED) בהירות במיוחד בתחילת שנות ה-1990, ולאחר מכן, ליבה טֶכנוֹלוֹגִיָה עבור נגני Blu-ray דיסקים אופטיים. יעברו כמעט שני עשורים עד שהטכנולוגיה תהיה כדאית מסחרית עבור טרנזיסטורי אפקט שדה (FET) עם יעילות הספק גבוהה.
GaN מייצג כעת את אחד הקטעים הצומחים ביותר של ה- סמיקונדקטור התעשייה, עם הערכות צמיחה שנתיות מורכבות שנעות בין 25% ל-50%, המונעות על ידי ביקוש למכשירים בעלי יעילות אנרגטית גבוהה יותר כדי לעמוד ביעדי קיימות וחשמול.
ניתן להשתמש בטרנזיסטורי GaN לתכנון מכשירים קטנים יותר ובעלי יעילות גבוהה יותר מאשר טרנזיסטורי סיליקון. בשימוש תחילה עבור מערכות מגבר מיקרוגל בעלות הספק גבוה, יתרונות הגודל בייצור GaN והיכולת ליצור מגברים קטנים וחזקים יותר, הרחיבו את השימוש כדי ליצור שוק מכשירים בהיקף של מיליארדי דולרים המשתרעים על יישומים צרכניים, תעשייתיים וצבאיים.
מאמינים רווחים כי מכשירי MOSFET מסיליקון הגיעו לגבולות התיאורטיים שלהם לאלקטרוניקה כוחנית, בעוד ל-Gan FETs עדיין יש פוטנציאל גדול להתקדמות ביצועים נוספת. מוליכים למחצה GaN משתמשים לרוב במצעי סיליקון קרביד (SiC), ואחריהם סיליקון, שהוא חסכוני יותר, או יהלום, שהוא בעל הביצועים הטובים ביותר והיקר ביותר. מכשירי GaN פועלים בטמפרטורות גבוהות יותר עם ניידות ומהירות אלקטרונים גבוהים יותר מאשר מכשירים מבוססי סיליקון ועם מטען שחזור הפוך נמוך או אפס.
מוליכים למחצה של הספק GaN כוללים בערך פי חמישה צפיפות ההספק של מוליכים למחצה של מגברי הספק גליום ארסניד (GaAs). עם נצילות הספק של 80% או יותר, מוליכים למחצה של GaN מספקים הספק, רוחב פס ויעילות מעולים על פני חלופות כגון GaAs ומוליכי מתכת-אוקסיד מפוזרים לרוחב (LDMOS). הטכנולוגיה מנוצלת כעת ביישומים מגוונים, החל מתאמי מתח בטעינה מהירה ועד התקני זיהוי וטווח אור (LiDAR) המשולבים במערכות מתקדמות לסיוע לנהג (ADAS) לרכבים.
מרכזי נתונים מייצגים עוד שוק מתפתח למכשירים מבוססי GaN שיכולים לעמוד בצריכת החשמל הגוברת ודרישות הקירור לעלויות נמוכות יותר, כמו גם לסייע בטיפול במחלוקות סביבתיות הולכות וגדלות העומדות בפני מפעילים בזירות רגולטוריות ופוליטיות.
יצרני מוליכים למחצה וחברות מחקרי שוק גם מציגות שוק הולך וגדל עבור יישומי מתח נמוך וגבוה בכלי רכב חשמליים, החל מסוללות יעילות יותר ועד ממירי משיכה של סוללות.
זה תחום שנשלט עד היום על ידי מכשירי SiC, אשר, כמו GaN, מסווגים כמוליכים למחצה רחבי פס (WBG) עם ניידות אלקטרונית גבוהה ש"מאפשרים לרכיבי חשמל אלקטרוניים להיות קטנים יותר, מהירים יותר, אמינים יותר ו יעילים יותר מעמיתיהם המבוססים על סיליקון (Si). ל-GaN יש פער פס של 3.4 eV, בהשוואה ל-2.2 eV עבור SiC ו-1.12 eV עבור SI.
מוליכים למחצה של הספק GaN ו-SiC פועלים בתדרים גבוהים יותר ויש להם מהירויות מיתוג מהירות יותר והתנגדות הולכה נמוכה יותר מסיליקון. התקני SiC יכולים לפעול במתחים גבוהים יותר, בעוד שהתקני GaN מספקים מיתוג מהיר יותר עם אנרגיה נמוכה יותר, מה שמאפשר למעצבים להפחית את הגודל והמשקל. SiC יכול לתמוך בעד 1,200 וולט, בעוד ש-GaN נתפס בדרך כלל כמתאים יותר עבור עד 650 וולט, למרות שהתקני מתח גבוה יותר הוצגו לאחרונה.
GaN יכול לספק בערך פי 10 מהספק טווח התדרים בהשוואה ל-GaAs ומוליכים למחצה אחרים (איור 1).
שיקולי עיצוב
ההערכה היא ש-70% או יותר מהאנרגיה החשמלית הנצרכת ברחבי העולם מעובדת על ידי אלקטרוניקת כוח. עם מאפייני ה-WBG של GaN, מעצבים יכולים ליצור מערכות אלקטרוניות קטנות יותר, תוך שימוש בצפיפות הספק גבוהה יותר, יעילות מעולה ומהירויות מיתוג מהירות במיוחד.
הטכנולוגיה מאפשרת חדשנות בשווקים מרובים, כולל אלקטרוניקת חשמל, רכב, אחסון אנרגיה סולארית ומרכזי נתונים, בין היתר. מכשירי GaN עמידים מאוד בפני קרינה, מתאימים היטב ליישומים צבאיים וחלל מתפתחים.
ייתכן שחלק מהמעצבים האלקטרוניים התרחקו ממכשירי כוח של GaN עקב תפיסות שגויות בנוגע לעלות החומרים. בעוד שהייצור של מצע GaN היה בתחילה הרבה יותר גבוה מ-Si, ההפרש הזה הצטמצם במידה ניכרת, ושימוש במצעים שונים מספק למעצבים את היכולת למצוא את ההחלפה הטובה ביותר בין עלות לביצועים.
GaN-on-SiC מציעה את פוטנציאל השוק הרחב ביותר עבור מעצבים עם הפשרה הטובה ביותר של עלות וביצועים. עם זאת, עם האפשרויות של GaN-on-Si ו- GaN-on-diaman, מעצבי מוצר יכולים לבחור את המצע המתאים ביותר כדי לענות על צרכי המחיר/ביצועים של הארגונים והלקוחות שלהם.
בשל שיעורי המיתוג הגבוהים מאוד של GaN, מעצבים צריכים לשים לב במיוחד להפרעות אלקטרומגנטיות (EMI) וכיצד ניתן להפחית אותה בפריסת לולאת הכוח. מנהלי השערים הפעילים, החיוניים למניעת חריגה ממתח, יכולים להפחית את EMI ממיתוג צורות גל.
סוגיית עיצוב מרכזית נוספת היא השראות הטפיליות והקיבול שעלולים לגרום להפעלה כוזבת. מקסום יתרונות הביצועים תלוי בפריסה האופטימלית של לולאות הכוח הרוחביות והאנכיות ובהתאמת מהירות הנהג למהירות המכשיר.
המעצבים חייבים גם לייעל את הניהול התרמי כדי למנוע חימום יתר שעלול לפגוע בביצועים ובאמינות. יש להעריך אריזה על יכולתה להפחית אינדוקטציות ולפזר חום.
Analog Devices מקור מגברי כוח GaN
אֶלֶקטרוֹנִי מערכות דורשות המרה בין המתח של אספקת האנרגיה למתח המעגל שצריך להפעיל. חברת המוליכים למחצה המובילה ותיקה Analog Devices, Inc. (ADI) שואפת לספק ביצועי מגבר כוח GaN מובילים בתעשייה יחד עם תמיכה, מה שמאפשר למעצבים להשיג יעדי ביצועים מובילים ולהוציא את הפתרונות שלהם לשוק מהר יותר.
מנהלי התקן של שער ובקרי ירידה (או בקרה) חיוניים למיצוי היתרונות של התקני כוח GaN. נהגי GaN עם חצי גשר משפרים את ביצועי המיתוג והיעילות הכוללת של מערכות החשמל. ממירי DC לDC ממירים מתח כניסה גבוה יותר למתח פלט נמוך יותר.
ADI מציעה את LT8418, דרייבר חצי גשר GaN של 100 וולט המשלב שלבי דרייבר עליונים ותחתונים, בקרת לוגיקה של מנהל ההתקן, הגנות ומתג אתחול (איור 2). ניתן להגדיר אותו לחצי גשר סינכרוני, או להגביר טופולוגיות. מנהלי התקן של שער מפוצל מכוונים את קצבי ההדלקה והכיבוי של GaN FETs כדי לייעל את ביצועי ה-EMI.
כניסות ויציאות של מנהלי התקנים של ADI GaN כוללים ברירת מחדל של מצב נמוך כדי למנוע הפעלה כוזבת של GaN FETs. עם השהיית התפשטות מהירה של 10 ns, יחד עם התאמת השהייה של 1.5 ns בין הערוץ העליון והתחתון, ה-LT8418 מתאים לממירי DC/DC בתדר גבוה, מנהלי מנוע, מגברי אודיו Class-D, ספקי כוח של מרכזי נתונים, ומגוון רחב של יישומי חשמל בשווקי צרכנים, תעשייה ומכוניות.
ה-LTC7890 ו-LTC7891 (איור 3) הם בעלי ביצועים גבוהים, כפולים ויחידים, בהתאמה, מיתוג DC-DC וסת בקרים להנעת שלבי כוח GaN FET סינכרוניים בערוצי N ממתחי כניסה עד 100 וולט. במטרה לתת מענה לרבים מהאתגרים שעומדים בפני מתכננים באמצעות GaN FETs, בקרים אלה מפשטים את עיצוב האפליקציה בכך שהם אינם דורשים דיודות הגנה או רכיבים חיצוניים נוספים אחרים המשמשים בדרך כלל בסיליקון MOSFET פתרונות.
כל בקר מספק למעצבים את היכולת לכוונן במדויק את מתח דרייבר השער מ-4 וולט ל-5.5 וולט כדי לייעל את הביצועים ולאפשר שימוש ב-GAN FETs ו-MOSFETs ברמה לוגית שונים. מתגי אתחול חכמים פנימיים מונעים טעינת יתר של פין BOOSTx לאספקת דרייבר צד גבוהה של פין SWx בזמנים מתים, ומגנים על השער של GaN FET העליון.
שני הרכיבים מייעלים באופן פנימי את תזמון דרייבר השער בשני קצוות המיתוג לזמני מתים כמעט אפסיים, משפרים את היעילות ומאפשרים הפעלה בתדר גבוה. מעצבים יכולים גם להתאים זמני מת עם נגדים חיצוניים. המכשירים זמינים עם צדדים הניתנים להרטבה באריזות ארבע שטוחות ללא עופרת (QFN). סכמטיות ממחישות מעגלי יישום טיפוסיים עם תצורות 40 עופרת, 6 מ"מ x 6 מ"מ LTC7890 (איור 4) ו-28 עופרת, 4 מ"מ x 5 מ"מ LTC7891 (איור 5).
מעצבים יכולים גם לנצל פורטפוליו של כלים לניהול צריכת חשמל של ADI כדי להשיג יעדי ביצועי אספקת חשמל ולייעל לוחות. ערכת הכלים כוללת מחשבון נגדי buck משתנה, תצורת מתח שרשרת אותות וסביבת פיתוח מבוססת Windows.
סיכום
GaN הוא חומר מוליכים למחצה טרנספורמטיבי המשמש לייצור רכיבים עם צפיפות הספק גבוהה, מהירויות מיתוג מהירות במיוחד ויעילות הספק מעולה. מעצבי מוצר יכולים למנף את מוצרי ה-GaN FET gate של ADI כדי ליצור מערכות אמינות ויעילות יותר עם פחות רכיבים, וכתוצאה מכך מערכות קטנות יותר עם טביעות רגל ומשקל מופחתים.