Semikonduktor galium nitrida (GaN) telah berkembang pesat sejak mula berdaya maju secara komersial sebagai diod pemancar cahaya biru (LED) yang sangat terang pada awal 1990-an dan, seterusnya, teras teknologi untuk pemain cakera optik Blu-ray. Ia akan menjadi hampir dua dekad sebelum teknologi itu berdaya maju secara komersial untuk transistor kesan medan (FET) dengan kecekapan kuasa tinggi.
GaN kini mewakili salah satu segmen yang paling pesat berkembang semikonduktor industri, dengan anggaran pertumbuhan tahunan kompaun antara 25% hingga 50%, didorong oleh permintaan untuk peranti dengan kecekapan tenaga yang lebih tinggi untuk memenuhi matlamat kemampanan dan elektrifikasi.
Transistor GaN boleh digunakan untuk mereka bentuk peranti yang lebih kecil dan lebih cekap daripada transistor silikon. Pada mulanya digunakan untuk sistem penguat gelombang mikro berkuasa tinggi, skala ekonomi dalam fabrikasi GaN dan keupayaan untuk mencipta penguat yang kecil dan lebih berkuasa telah meluaskan penggunaan untuk mencipta pasaran peranti berbilion dolar yang merangkumi aplikasi pengguna, perindustrian dan ketenteraan.
MOSFET silikon secara meluas dipercayai telah mencapai had teori mereka untuk elektronik kuasa, manakala GaN FET masih mempunyai potensi besar untuk kemajuan prestasi selanjutnya. Semikonduktor GaN biasanya menggunakan substrat silikon karbida (SiC), diikuti oleh silikon, yang lebih menjimatkan, atau berlian, yang berprestasi terbaik dan paling mahal. Peranti GaN beroperasi pada suhu yang lebih tinggi dengan mobiliti dan halaju elektron yang lebih tinggi daripada peranti berasaskan silikon dan dengan cas pemulihan terbalik yang rendah atau sifar.
Semikonduktor kuasa GaN mempunyai kira-kira lima kali ketumpatan kuasa semikonduktor penguat kuasa galium arsenide (GaAs). Dengan kecekapan kuasa 80% atau lebih, semikonduktor GaN memberikan kuasa, lebar jalur dan kecekapan yang unggul berbanding alternatif seperti GaA dan semikonduktor oksida logam (LDMOS). Teknologi ini kini digunakan dalam pelbagai aplikasi daripada penyesuai kuasa cas pantas kepada peranti pengesanan dan julat cahaya (LiDAR) yang digabungkan ke dalam sistem bantuan pemandu lanjutan (ADAS) untuk kereta.
Pusat data mewakili satu lagi pasaran baru muncul untuk peranti berasaskan GaN yang boleh memenuhi keperluan penggunaan kuasa dan penyejukan yang semakin meningkat untuk kos yang lebih rendah, serta membantu menangani pertikaian alam sekitar yang semakin meningkat yang dihadapi oleh pengendali dalam arena kawal selia dan politik.
Pengeluar semikonduktor dan firma penyelidikan pasaran juga mengunjurkan pasaran yang semakin berkembang untuk aplikasi voltan rendah dan tinggi dalam kenderaan elektrik, daripada bateri yang lebih cekap kepada penyongsang daya tarikan bateri.
Itulah kawasan yang, sehingga kini, telah dikuasai oleh peranti SiC, yang, seperti GaN, diklasifikasikan sebagai semikonduktor jurang jalur lebar (WBG) dengan mobiliti elektron tinggi yang "membolehkan komponen elektronik kuasa menjadi lebih kecil, lebih pantas, lebih dipercayai, dan lebih cekap daripada rakan berasaskan silikon (Si) mereka.” GaN mempunyai jurang jalur 3.4 eV, berbanding 2.2 eV untuk SiC dan 1.12 eV untuk SI.
Semikonduktor kuasa GaN dan SiC beroperasi pada frekuensi yang lebih tinggi dan mempunyai kelajuan pensuisan yang lebih pantas dan rintangan pengaliran yang lebih rendah daripada silikon. Peranti SiC boleh beroperasi pada voltan yang lebih tinggi, manakala peranti GaN menyediakan pensuisan yang lebih pantas dengan tenaga yang lebih rendah, membolehkan pereka bentuk mengurangkan saiz dan berat. SiC boleh menyokong sehingga 1,200 volt, manakala GaN secara amnya dilihat lebih sesuai untuk sehingga 650 volt, walaupun peranti voltan lebih tinggi telah diperkenalkan baru-baru ini.
GaN boleh memberikan kira-kira 10 kali ganda kuasa julat frekuensi berbanding GaA dan semikonduktor lain (Rajah 1).
Pertimbangan reka bentuk
Dianggarkan bahawa 70% atau lebih tenaga elektrik yang digunakan di seluruh dunia diproses oleh elektronik kuasa. Dengan ciri-ciri WBG GaN, pereka boleh mencipta sistem elektronik kuasa yang lebih kecil, menggunakan ketumpatan kuasa yang lebih tinggi, kecekapan unggul dan kelajuan pensuisan yang sangat pantas.
Teknologi ini membolehkan inovasi dalam pelbagai pasaran, termasuk elektronik kuasa, automotif, storan tenaga solar dan pusat data, antara lain. Sangat tahan sinaran, peranti GaN sangat sesuai untuk aplikasi ketenteraan dan aeroangkasa yang baru muncul.
Sesetengah pereka bentuk elektronik mungkin telah menjauhkan diri daripada peranti kuasa GaN kerana tanggapan salah mengenai kos bahan. Walaupun fabrikasi substrat GaN pada mulanya jauh lebih tinggi daripada Si, perbezaan itu telah berkurangan dengan ketara, dan penggunaan substrat yang berbeza memberikan pereka keupayaan untuk mencari pertukaran terbaik antara kos dan prestasi.
GaN-on-SiC menawarkan potensi pasaran yang paling luas untuk pereka dengan pertukaran kos dan prestasi terbaik. Walau bagaimanapun, dengan pilihan GaN-on-Si dan GaN-on-diamond, pereka produk boleh memilih substrat yang paling sesuai untuk memenuhi keperluan harga/prestasi organisasi dan pelanggan mereka.
Disebabkan oleh kadar pensuisan GaN yang sangat tinggi, pereka bentuk perlu memberi perhatian khusus kepada gangguan elektromagnet (EMI) dan cara ia boleh dikurangkan dalam susun atur gelung kuasa. Pemacu pintu aktif, yang penting untuk mencegah overshoot voltan, boleh mengurangkan EMI daripada menukar bentuk gelombang.
Satu lagi isu reka bentuk utama ialah kearuhan parasit dan kapasitansi yang boleh mengakibatkan pencetus palsu. Memaksimumkan kelebihan prestasi bergantung pada susun atur optimum gelung kuasa sisi dan menegak dan memadankan kelajuan pemandu dengan kelajuan peranti.
Pereka bentuk juga mesti mengoptimumkan pengurusan terma untuk mengelakkan pemanasan berlebihan yang boleh menjejaskan prestasi dan kebolehpercayaan. Pembungkusan harus dinilai pada keupayaannya untuk mengurangkan kearuhan dan menghilangkan haba.
Sumber Peranti Analog penguat kuasa GaN
Elektronik sistem memerlukan penukaran antara voltan bekalan tenaga dan voltan litar yang perlu dikuasakan. Syarikat semikonduktor terulung lama Analog Devices, Inc. (ADI) menyasarkan untuk menyampaikan prestasi penguat kuasa GaN yang terkemuka dalam industri ditambah dengan sokongan, membolehkan pereka bentuk mencapai sasaran prestasi tertinggi dan mendapatkan penyelesaian mereka ke pasaran dengan lebih cepat.
Pemacu gerbang dan pengawal langkah turun (atau wang) adalah penting untuk memaksimumkan faedah peranti kuasa GaN. Pemacu GaN separuh jambatan meningkatkan prestasi pensuisan dan kecekapan keseluruhan sistem kuasa. Penukar step-down DC-ke-DC menukar voltan masukan yang lebih tinggi kepada voltan keluaran yang lebih rendah.
ADI menawarkan LT8418, pemacu GaN separuh jambatan 100 V yang menyepadukan peringkat pemandu atas dan bawah, kawalan logik pemacu, perlindungan dan suis bootstrap (Rajah 2). Ia boleh dikonfigurasikan menjadi wang separuh jambatan segerak, atau meningkatkan topologi. Pemacu pintu selisih melaraskan kadar slew hidup dan matikan GaN FET untuk mengoptimumkan prestasi EMI.
Input dan output pemacu ADI GaN menampilkan keadaan rendah lalai untuk mengelakkan penghidupan palsu GaN FET. Dengan kelewatan perambatan pantas 10 ns, bersama-sama dengan pemadanan lengah 1.5 ns antara saluran atas dan bawah, LT8418 sesuai untuk penukar DC/DC frekuensi tinggi, pemacu motor, penguat audio kelas-D, bekalan kuasa pusat data, dan rangkaian luas aplikasi kuasa merentas pasaran pengguna, perindustrian dan automotif.
LTC7890 dan LTC7891 (Rajah 3) masing-masing adalah berprestasi tinggi, dwi dan tunggal, pensuisan DC-ke-DC step-down pengatur pengawal untuk memacu peringkat kuasa GaN FET segerak saluran N daripada voltan input sehingga 100 V. Bertujuan untuk menangani banyak cabaran yang dihadapi oleh pereka bentuk menggunakan GaN FET, pengawal ini memudahkan reka bentuk aplikasi dengan tidak memerlukan diod perlindungan atau komponen luaran tambahan lain yang biasanya digunakan dalam silikon MOSFET penyelesaian.
Setiap pengawal memberikan pereka keupayaan untuk melaraskan voltan pemacu get dengan tepat daripada 4 V kepada 5.5 V untuk mengoptimumkan prestasi dan membenarkan penggunaan GaN FET dan MOSFET tahap logik yang berbeza. Suis tali but pintar dalaman menghalang pengecasan berlebihan pin BOOSTx ke bekalan pemandu sisi tinggi pin SWx semasa waktu mati, melindungi pintu gerbang GaN FET atas.
Kedua-dua komponen secara dalaman mengoptimumkan pemasaan pemacu pintu pada kedua-dua tepi pensuisan untuk masa mati hampir sifar, meningkatkan kecekapan dan membolehkan operasi frekuensi tinggi. Pereka bentuk juga boleh melaraskan masa mati dengan perintang luaran. Peranti ini tersedia dengan rusuk boleh basah sisi dalam pakej quad flat tanpa plumbum (QFN). Skema menggambarkan litar aplikasi biasa dengan konfigurasi 40-plumbum, 6 mm x 6 mm LTC7890 (Rajah 4) dan 28-plumbum, 4 mm x 5 mm LTC7891 (Rajah 5).
Pereka bentuk juga boleh memanfaatkan portfolio alatan pengurusan kuasa ADI untuk mencapai matlamat prestasi bekalan kuasa dan mengoptimumkan papan. Set alat termasuk kalkulator perintang buck pembolehubah, konfigurasi kuasa rantai isyarat dan persekitaran pembangunan berasaskan Windows.
Kesimpulan
GaN ialah bahan semikonduktor transformatif yang digunakan untuk menghasilkan komponen dengan ketumpatan kuasa tinggi, kelajuan pensuisan ultra pantas dan kecekapan kuasa yang unggul. Pereka produk boleh memanfaatkan produk pemacu gerbang GaN FET ADI untuk mencipta sistem yang lebih dipercayai dan cekap dengan komponen yang lebih sedikit, menghasilkan sistem yang lebih kecil dengan jejak kaki dan berat yang berkurangan.