טרנזיסטורי גליום ניטריד (GaN) נמצאים בייצור המוני מעל 10 שנים. בשנים הראשונות לזמינותם, מהירות ההחלפה המהירה של המכשירים החדשים - עד פי 10 יותר מה- Si המכובד MOSFET - הייתה הסיבה העיקרית למעצבים להשתמש ב- FETs של GaN.
מבוא
ככל שהתמחור של מכשירי GaN מנורמל עם ה- MOSFET, יחד עם הרחבת מגוון רחב של מכשירים עם מכשירים שונים מתח דירוגים ויכולות טיפול בחשמל, התקבלה הסכמה רחבה בהרבה ביישומים המיינסטרים כגון ממירי DC-DC למחשבים, כונני מנוע לרובוטים, ואופניים וקטנועים לניידות אלקטרונית. הניסיון שנצבר מהמאמצים המוקדמים הוביל את הדרך למצטרפים מאוחרים יותר לעולם ה- GaN להגיע לייצור מהר יותר.
מאמר זה הוא הראשון בסדרת מאמרים הדנים בשלושה נושאים שיכולים לעזור למעצבי מערכות חשמל להשיג את המקסימום מהעיצובים מבוססי ה- GaN שלהם בעלות הנמוכה ביותר. שלושת הנושאים הם: (1) שיקולי פריסה; (2) תכנון תרמי לטיפול מקסימלי בכוח; וכן, (3) טכניקות להפחתת EMI בעלות הנמוכה ביותר.
השראות טפילית בגלל מהירות ההחלפה הגבוהה של GaN
השימוש ב-GaN בתדרים גבוהים יותר מכוח ההזדקנות MOSFET הוא מסוגל שם זרקור על ההשפעות המשפילות של השראות טפיליות בהמרת הספק מעגל [1]. השראות זו מעכבת את מיצוי התועלת המלאה של יכולות המיתוג המהיר במיוחד של GaN עם יצירת EMI מופחתת. עבור תצורת חצי גשר, המשמשת בכ-80% ממירי ההספק, שני המקורות העיקריים של השראות טפילית הם; (1) לולאת הכוח בתדר גבוה שנוצרה על ידי שני התקני מיתוג הכוח יחד עם האוטובוס בתדר גבוה קבל וכן, (2) לולאת כונן השער שנוצרה על ידי דרייבר השער, התקן הכוח וקבל כונן השער בתדר גבוה. השראות המקור המשותף (CSI) מוגדרת על ידי החלק של השראות הלולאה המשותף הן ללולאת השער והן ללולאת ההספק. זה מסומן על ידי החצים באיור 1.
איור 1: שרטוט של שלב כוח חצי גשר המציג לולאות הכוח והשער עם אינדוקציה מקורית משותפת המוצגת במעגלים מנוקדים.
מזעור השראות טפילית
המזעור של כל ההשראות הטפיליות הוא חיוני כאשר בוחנים את הפריסה של התקני כוח מהירים. לא ניתן לצמצם הכל רכיבים של השראות באותה מידה, ולכן, יש לטפל בהם לפי סדר חשיבות, החל בהשראות מקור משותף, ואז השראות לולאת כוח ולבסוף, השראות לולאת שער.
עבור גבוה-מתח PQFN (Power Quad Flat ללא עופרת) MOSFET חבילות, הצורך בפין מקור נפרד של שער-החזרה ידוע והוא מיושם גם במבני GaN PQFN במתח גבוה [2,3]. כאשר הפינים הנפרדים הללו זמינים, לולאת כונן השער ולולאת הכוח מופרדות בתוך האריזה ויש לנקוט זהירות רבה באופן חיבורם חיצוני.
ההפחתה בהשראות המקור הנפוץ באה על חשבון השראות המקור החיצוני, שנדחק מחוץ לולאת השער. השראות חיצונית זו עלולה להוביל להקפצה מוגברת של הקרקע עקב המהירות המשופרת של המכשיר לאחר הסרת השראות המקור הנפוץ [4].
טרנזיסטורי GaN במצב שיפור זמינים בחבילה של Wafer Level Chip-Scale (WLCSP) עם מסופים בתבנית Land Grid Array (LGA) או Ball Grid Array (BGA). חלק מהמכשירים הללו אינם מציעים סיכה מקורית להחזרת שער, אלא מספר חיבורי אינדוקציה נמוכים מאוד כפי שמוצג באיור 2. אינדוקציה כוללת של חבילות אלה היא לרוב פחות מ- 100 pH. זה מפחית במידה ניכרת את כל מרכיבי ההשראות, ובכך מפחית את כל הבעיות הקשורות להשראות. ניתן לטפל בחבילות LGA ו- BGA אלה באופן זהה לחבילות המסופקות עם סיכת השבה או מוט ייעודי על ידי הקצאת רפידות המקור הקרובות ביותר לשער כדי לשמש כנקודת החיבור "כוכב" הן לולאת השער והן לולאת הכוח. לאחר מכן מופרדים פריסת השער ולולאות הכוח בכך שהזרמים זורמים לכיוונים מנוגדים או אורתוגונליים כמוצג באיור 2.
איור 2: טרנזיסטורי GaN בתבניות LGA (a) ו- BGA (b) המציגים את כיוון זרימת זרם המכשיר שממזער השראות מקור משותף
תוך כדי מזעור ההשראות של האלמנטים הבודדים המרכיבים את הלולאה (כלומר קבלים ESL, השראות עופרת התקן, ו PCB השראה בין-חיבורים) חשוב, על המעצבים להתמקד גם במזעור ההשראות הכוללות של הלולאה. מכיוון שההשראות של הלולאה נקבעת על ידי האנרגיה המגנטית המאוחסנת בתוכה, ניתן למזער עוד יותר את השראות הלולאה הכוללת באמצעות צימוד בין מוליכים סמוכים כדי לגרום לביטול עצמי של השדה המגנטי.
על ידי שזירת מסופי הניקוז והמקור בצד אחד של המכשיר, נוצרים מספר לולאות קטנות עם זרמים מנוגדים שיקטינו את ההשראות הכוללת באמצעות ביטול עצמי של השדה המגנטי. זה לא נכון רק לגבי עקבות ה- PCB המוצגות באיור 3 (א), אלא גם עבור חיבורי הלחמה האנכיים והוויות החיבור הבין-שכבתי המוצגות באיור 3 (ב). כאשר נוצרים מספר לולאות מבטל שדות מגנטיים קטנים, האנרגיה המגנטית הכוללת, ולכן ההשראות, מופחתת משמעותית [5].
איור 3: טרנזיסטור LGA GaN מותקן על PCB המציג זרימת זרם חילופין (א) מבט מלמעלה (ב) מבט צדדי
הפחתה נוספת בהשראות לולאה חלקית אפשרית על ידי הוצאת זרמי ניקוז ומקור שניהם משני צידי המכשיר מקו האמצע ושכפול אפקט ביטול השדה המגנטי. זה עובד על ידי הפחתת הזרם בכל מוליך, ובכך מפחית עוד יותר את האנרגיה המאוחסנת, ונתיב הזרם הקצר יותר מניב השראות נמוכה יותר.
עיצובים לולאת כוח קונבנציונליים
כדי לראות כיצד ניתן לממש מזעור השראות לולאות כוח בפריסה ממשית, מוצגות לשם השוואה שתי גישות קונבנציונליות לולאות כוח. שתי גישות אלה ייקראו "רוחבי" ו"אנכי "בהתאמה.
עיצוב לולאת כוח לרוחב
הפריסה הרוחבית ממקמת את קבלי הקלט וההתקנים באותו צד של ה-PCB בסמיכות כדי למזער את השטח של לולאת הכוח בתדר גבוה. לולאת התדר הגבוה עבור עיצוב זה מצויה באותו צד של ה-PCB ונחשבת ללולאת כוח רוחבית, שכן לולאת הכוח זורמת לרוחב על שכבת PCB אחת. דוגמה לפריסה לרוחב באמצעות עיצוב טרנזיסטור LGA מוצגת באיור 4. לולאת התדר הגבוה מודגשת באיור זה.
איור 4: לולאת כוח רוחבית קונבנציונלית עבור מבוסס טרנזיסטור LGA GaN מֵמִיר: (א) מבט מלמעלה (ב) מבט מהצד
בעוד שמזעור הגודל הפיזי של הלולאה חשוב להקטנת ההשראות הטפיליות, גם עיצוב השכבות הפנימיות הוא קריטי. עבור עיצוב לולאת הכוח הרוחבית, השכבה הפנימית הראשונה משמשת כ"שכבת מגן ". לשכבה זו תפקיד קריטי בהגנה על המעגלים הפנימיים מפני השדות הנוצרים על ידי לולאת ההספק בתדר גבוה. לולאת הכוח מייצרת שדה מגנטי המניע זרם בשכבת המגן שזורם בכיוון ההפוך לולאת הכוח. הזרם בשכבת המגן מייצר שדה מגנטי כדי לנטרל את השדה המגנטי של לולאת הכוח המקורית. התוצאה הסופית היא ביטול שדות מגנטיים המתורגמים להפחתה בהשראות לולאת הכוח הטפילית.
קיום מישור מגן שלם בסמיכות לולאת ההספק מניב את השראות לולאת הכוח הנמוכה ביותר לפריסה לרוחב. גישה זו תלויה מאוד במרחק מלולאת הכוח לשכבת המגן הכלולה בשכבה הפנימית הראשונה [6]. כל עוד שתי השכבות העליונות נמצאות בסמיכות, השראות הלולאה בתדירות גבוהה מראה מעט תלות בעובי הלוח הכולל.
עיצוב אנכי לולאת כוח
הפריסה הקונבנציונלית השנייה, המוצגת באיור 5, ממקמת את הקלט קבלים וטרנזיסטורים בצדדים מנוגדים של ה-PCB, כאשר הקבלים ממוקמים ישירות מתחת למכשירים כדי למזער את גודל הלולאה הפיזית. זה נקרא לולאת כוח אנכית מכיוון שהלולאה מחוברת אנכית דרך ה-PCB באמצעות vias. בעיצוב הטרנזיסטור LGA של איור 5 מודגשת לולאת הכוח האנכית.
איור 5: לולאת כוח אנכית קונבנציונלית עבור ממיר מבוסס טרנזיסטור LGA: (א) מבט מלמעלה (ב) מבט מלמטה (ג) מבט צדדי
עבור עיצוב זה, אין שכבת מגן בשל המבנה האנכי שלה. לולאת הכוח האנכית משתמשת בשיטת ביטול עצמי של שדה מגנטי (עם זרמים הזורמים בכיוונים מנוגדים) כדי להפחית את ההשראות, בניגוד לשימוש במישור מגן.
עבור פריסת ה- PCB, עובי הלוח בדרך כלל דק בהרבה מהאורך האופקי של העקבות בצד העליון והתחתון של הלוח. ככל שעובי הלוח פוחת, שטח הלולאה מצטמצם משמעותית בהשוואה לולאת הכוח הרוחבית, והזרם הזורם לכיוונים מנוגדים בשכבות העליונות והתחתונות מתחיל לספק ביטול עצמי של השדה המגנטי. כדי שלולאת כוח אנכית תהיה יעילה ביותר, יש למזער את עובי הלוח.
מיטוב לולאת הכוח
טכניקת פריסה משופרת המספקת את היתרונות של גודל לולאה מופחת, בעלת ביטול עצמי של שדה מגנטי, בעלת השראות שאינה תלויה בעובי הלוח, היא עיצוב PCB רכיב חד צדדי ומניבה יעילות גבוהה למבנה רב שכבתי מוצג באיור 6. העיצוב מנצל את השכבה הפנימית הראשונה, המוצגת באיור 6 (ב), כנתיב החזרת לולאת הכוח. נתיב החזרה זה ממוקם ישירות מתחת לולאת הכוח של השכבה העליונה, כפי שמוצג באיור 6 (א). מיצוב זה משיג את אזור הלולאה הפיזית הקטן ביותר בשילוב ביטול עצמי של שדה מגנטי. המראה הצדדי, המוצג באיור 6 (ג), ממחיש את הרעיון של יצירת לולאת שדה מגנטי פרופיל נמוך במבנה PCB רב שכבתי.
איור 6: לולאת הספק אופטימלית עבור ממיר מבוסס טרנזיסטור LGA: (א) מבט מלמעלה (ב) מבט מלמעלה של שכבה פנימית 1 (ג) מבט צדדי
פריסה משופרת זו ממקמת את הקלט קבלים בסמיכות למכשיר העליון, כאשר מסופי מתח הכניסה החיובי ממוקמים ליד חיבורי הניקוז של הטרנזיסטור העליון. התקני GaN ממוקמים בסידור כמו במקרים של לולאות כוח רוחביות ואנכיות. צומת המשרן המשולב ומעברי האדמה משוכפלים בצד התחתון של טרנזיסטור המיישר הסינכרוני.
חיבורים משולבים אלו מספקים שלושה יתרונות: • השזירה של הצינורות עם זרם זורם בכיוון הפוך מפחיתה את אחסון האנרגיה המגנטית ועוזרת ליצור ביטול שדה מגנטי. זה מביא להפחתת השפעות מערבולות וקרבה, ובכך מפחית את הפסדי הולכה AC. • הצינורות הממוקמים מתחת לטרנזיסטור התחתון מפחיתים את ההתנגדות ואת איבודי ההולכה הנלווים במהלך תקופת גלגל הטרנזיסטור החופשי. • הצינורות מפחיתים את ההתנגדות להתפשטות תרמית, ובכך מגדילות את היעילות ואת הטיפול בכוח.
המאפיינים של העיצובים הקונבנציונליים והאופטימליים מושווים בטבלה 1. לולאה רוחבית לולאה אנכית לולאה אופטימלית יכולת PCB חד צדדית כן לא כן ביטול עצמי של שדה מגנטי לא כן כן השראות בלתי תלויה בעובי הלוח כן לא כן נדרשת שכבת מגן כן לא לא טבלה 1: מאפיינים של עיצובי לולאות כוח קונבנציונליים ואופטימליים.
השפעת האינטגרציה על טפילים
כדי להפחית עוד יותר את השראות הטפילית של תכנונים מבוססי טרנזיסטור GaN, זמינים מעגלים משולבים של שלבי כוח GaN מונוליטי [7]. באיור 7, תרשים בלוקים ותמונת שבב בפועל של שלב כוח מונוליטי GaN IC מוצג. היעילות שנמדדה בניסוי של מעגל משולב מונוליטי זה, המוצגת באיור 8, מושוואת למעגל בדיד המשתמש בטרנזיסטורי eGaN® עם אותה התנגדות ומונעת על ידי uPI סמיקונדקטור uP1966 Si חצי גשר דרייבר IC [7] בפריסה אופטימלית. היתרונות של לולאת ההספק המופחתת והשראות לולאת השער ב-GaN ic מתבררים כאשר רווח היעילות הכולל משילוב משמעותי ב-1 מגה-הרץ בממיר buck סטנדרטי.
איור 7: דיאגרמת חסימה לשלב ההספק המונוליטי (א) ותמונת שבב (ב)
איור 8: השוואת יעילות בין שלב ההספק המונוליטי GaN (ירוק) לבין פתרון הטרנזיסטורי GaN הבדידים המונעים מבחוץ (כחול) בממיר 48 V - 12 V buck ב-1 מגה-הרץ (קווים מלאים) ו-2.5 מגה-הרץ (קווים מקווקוים) . ה-"X" השחור הוא הטוב ביותר שדווח עליו MOSFET ביצועים ב-1 מגה-הרץ.
<br> סיכום
פריסת מעגלים יעילה תמזער את שטח ה- PCB, תפחית את פיזור הכוח הבזבזני בגלל מהירויות מיתוג איטיות יותר המוגבלות על ידי אינדוקציות טפיליות, ותשפר את אמינות המערכת עקב הופעת יתר של המתח. נדונו טפילי פריסה החשובים בעת שימוש בטרנזיסטורי GaN; כלומר השראות המקור המשותף, השראות לולאת הכוח בתדר גבוה, והשראות לולאת השער.
נבדקו מספר שיטות למזער טפילים מעכבי ביצועים אלה, החל מהטרנזיסטור הבודד הבסיסי ביותר דרך IC שלב הספק מונוליטי שלם של GaN. במאמרים עתידיים ייבנו טכניקות פריסה הנדונות במאמר זה כדי להראות עיצוב מערכות ניהול תרמיות אופטימליות וכיצד ליצור מערכות EMI נמוכות, והכל עם טרנזיסטורי GaN ו-IC מודרניים בקנה מידה שבב.