Galliumnitride (GaN) halfgeleiders hebben een lange weg afgelegd sinds ze begin jaren negentig voor het eerst commercieel levensvatbaar werden als zeer heldere, blauw lichtgevende diodes (LED's) en vervolgens als kern technologie voor Blu-ray optische schijfspelers. Het zou bijna twintig jaar duren voordat de technologie commercieel levensvatbaar was voor veldeffecttransistors (FET's) met een hoog energierendement.
GaN vertegenwoordigt nu een van de snelst groeiende segmenten van de halfgeleider industrie, met samengestelde jaarlijkse groeischattingen variërend van 25% tot 50%, gedreven door de vraag naar apparaten met een grotere energie-efficiëntie om te voldoen aan de doelstellingen op het gebied van duurzaamheid en elektrificatie.
GaN-transistors kunnen worden gebruikt om kleinere apparaten met een hoger rendement te ontwerpen dan siliciumtransistors. Aanvankelijk gebruikt voor krachtige microgolfversterkersystemen, hebben de schaalvoordelen bij de GaN-fabricage en de mogelijkheid om kleine, krachtigere versterkers te maken het gebruik uitgebreid om een apparatenmarkt van meerdere miljarden dollars te creëren die consumenten-, industriële en militaire toepassingen omvat.
Er wordt algemeen aangenomen dat silicium-MOSFET's hun theoretische limieten voor vermogenselektronica hebben bereikt, terwijl GaN-FET's nog steeds een groot potentieel hebben voor verdere prestatieverbeteringen. GaN-halfgeleiders maken meestal gebruik van substraten van siliciumcarbide (SiC), gevolgd door silicium, dat zuiniger is, of diamant, dat het best presteert en het duurst is. GaN-apparaten werken bij hogere temperaturen met een hogere elektronenmobiliteit en -snelheid dan op silicium gebaseerde apparaten en met een lage of geen omgekeerde herstellading.
GaN-vermogenshalfgeleiders hebben ongeveer vijf keer de vermogensdichtheid van galliumarsenide (GaAs) eindversterkerhalfgeleiders. Met een energie-efficiëntie van 80% of meer bieden GaN-halfgeleiders superieur vermogen, bandbreedte en efficiëntie ten opzichte van alternatieven zoals GaAs en lateraal diffuse metaaloxide-halfgeleiders (LDMOS). De technologie wordt nu gebruikt in diverse toepassingen, variërend van snellaadadapters tot lichtdetectie- en bereikapparatuur (LiDAR) die zijn ingebouwd in geavanceerde rijhulpsystemen (ADAS) voor auto's.
Datacenters vertegenwoordigen een andere opkomende markt voor op GaN gebaseerde apparaten die tegen lagere kosten kunnen voldoen aan het groeiende stroomverbruik en de koelingseisen, en kunnen helpen bij het aanpakken van de groeiende milieuconflicten waarmee operators in regelgevende en politieke arena's worden geconfronteerd.
Fabrikanten van halfgeleiders en marktonderzoeksbureaus voorzien ook een groeiende markt voor laag- en hoogspanningstoepassingen in elektrische voertuigen, van efficiëntere batterijen tot batterij-tractie-omvormers.
Dat is een gebied dat tot nu toe wordt gedomineerd door SiC-apparaten, die net als GaN worden geclassificeerd als halfgeleiders met een brede bandgap (WBG) met een hoge elektronenmobiliteit die “het mogelijk maken dat vermogenselektronische componenten kleiner, sneller, betrouwbaarder en betrouwbaarder zijn. efficiënter dan hun op silicium (Si) gebaseerde tegenhangers.” GaN heeft een bandafstand van 3.4 eV, vergeleken met 2.2 eV voor SiC en 1.12 eV voor SI.
GaN- en SiC-vermogenshalfgeleiders werken op hogere frequenties en hebben hogere schakelsnelheden en een lagere geleidingsweerstand dan silicium. SiC-apparaten kunnen op hogere spanningen werken, terwijl GaN-apparaten sneller schakelen met minder energie, waardoor ontwerpers de omvang en het gewicht kunnen verminderen. SiC kan tot 1,200 volt ondersteunen, terwijl GaN over het algemeen als geschikter wordt beschouwd voor maximaal 650 volt, hoewel er onlangs apparaten met een hogere spanning zijn geïntroduceerd.
GaN kan ongeveer tien keer zoveel vermogen in het frequentiebereik leveren als GaAs en andere halfgeleiders (Figuur 10).
Ontwerp Overwegingen
Er wordt geschat dat 70% of meer van de elektrische energie die wereldwijd wordt verbruikt, wordt verwerkt door vermogenselektronica. Met de WBG-kenmerken van GaN kunnen ontwerpers kleinere vermogenselektronische systemen creëren, waarbij gebruik wordt gemaakt van een hogere vermogensdichtheid, superieure efficiëntie en ultrasnelle schakelsnelheden.
De technologie maakt innovatie mogelijk in meerdere markten, waaronder onder meer vermogenselektronica, de automobielsector, de opslag van zonne-energie en datacenters. GaN-apparaten zijn zeer goed bestand tegen straling en zijn zeer geschikt voor opkomende militaire en ruimtevaarttoepassingen.
Sommige elektronische ontwerpers hebben mogelijk afstand genomen van GaN-apparaten vanwege misvattingen over de materiaalkosten. Hoewel de productie van GaN-substraten aanvankelijk veel hoger was dan die van Si, is dat verschil aanzienlijk kleiner geworden, en het gebruik van verschillende substraten biedt ontwerpers de mogelijkheid om de beste afweging tussen kosten en prestaties te vinden.
GaN-on-SiC biedt het breedste marktpotentieel voor ontwerpers met de beste afweging tussen kosten en prestaties. Met de opties GaN-on-Si en GaN-on-diamond kunnen productontwerpers echter het meest geschikte substraat selecteren om te voldoen aan de prijs-/prestatiebehoeften van hun organisaties en klanten.
Vanwege de zeer hoge schakelsnelheden van GaN moeten ontwerpers bijzondere aandacht besteden aan elektromagnetische interferentie (EMI) en hoe deze kan worden beperkt in de lay-out van de power-loop. Actieve gate-drivers, die essentieel zijn voor het voorkomen van spanningsoverschrijding, kunnen de EMI door schakelgolfvormen verminderen.
Een ander belangrijk ontwerpprobleem is de parasitaire inductie en capaciteit die tot valse triggering kunnen leiden. Het maximaliseren van prestatievoordelen hangt af van de optimale lay-out van de laterale en verticale stroomlussen en het afstemmen van de snelheid van de bestuurder op de snelheid van het apparaat.
Ontwerpers moeten ook het thermisch beheer optimaliseren om overmatige verhitting te voorkomen die de prestaties en betrouwbaarheid in gevaar kan brengen. Verpakkingen moeten worden beoordeeld op hun vermogen om inductanties te verminderen en warmte af te voeren.
Analog Devices levert GaN-eindversterkers
elektronisch systemen vereisen conversie tussen de spanning van de energievoorziening en de spanning van de circuits die van stroom moeten worden voorzien. Het al lang toonaangevende halfgeleiderbedrijf Analog Devices, Inc. (ADI) streeft ernaar toonaangevende GaN-eindversterkerprestaties te leveren in combinatie met ondersteuning, waardoor ontwerpers topprestatiedoelstellingen kunnen bereiken en hun oplossingen sneller op de markt kunnen brengen.
Gate drivers en step-down (of buck) controllers zijn essentieel voor het maximaliseren van de voordelen van GaN-stroomapparaten. Half-bridge GaN-drivers verbeteren de schakelprestaties en de algehele efficiëntie van voedingssystemen. DC-naar-DC step-down-converters zetten een hogere ingangsspanning om naar een lagere uitgangsspanning.
ADI biedt de LT8418, een 100 V half-bridge GaN-driver die de bovenste en onderste drivertrappen, driverlogica-besturing, beveiligingen en een bootstrap-schakelaar integreert (Afbeelding 2). Het kan worden geconfigureerd in synchrone half-bridge buck, of boost-topologieën. Gesplitste poortdrivers passen de in- en uitschakelsnelheid van GaN FET's aan om de EMI-prestaties te optimaliseren.
In- en uitgangen van de ADI GaN-drivers zijn standaard voorzien van een lage status om valse inschakeling van GaN-FET's te voorkomen. Met een snelle voortplantingsvertraging van 10 ns, samen met een vertragingsaanpassing van 1.5 ns tussen de bovenste en onderste kanalen, is de LT8418 geschikt voor hoogfrequente DC/DC-converters, motordrivers, klasse-D audioversterkers, datacentervoedingen, en een breed scala aan energietoepassingen in de consumenten-, industriële en automobielmarkten.
De LTC7890 en LTC7891 (Afbeelding 3) zijn krachtige, respectievelijk dubbele en enkele step-down DC-naar-DC-schakelingen regelaar controllers voor het aansturen van N-kanaal synchrone GaN FET-vermogenstrappen vanaf ingangsspanningen tot 100 V. Deze controllers zijn gericht op het aanpakken van veel van de uitdagingen waarmee ontwerpers worden geconfronteerd bij het gebruik van GaN FET's en vereenvoudigen het applicatieontwerp doordat ze geen beschermingsdiodes of andere extra externe componenten nodig hebben die doorgaans worden gebruikt in silicium MOSFET oplossingen.
Elke controller biedt ontwerpers de mogelijkheid om de gate driver-spanning nauwkeurig aan te passen van 4 V tot 5.5 V om de prestaties te optimaliseren en het gebruik van verschillende GaN FET's en MOSFET's op logisch niveau mogelijk te maken. Interne slimme bootstrap-schakelaars voorkomen overbelasting van de BOOSTx-pin naar de SWx-pin high-side driver-voedingen tijdens dode tijden, waardoor de gate van de bovenste GaN FET wordt beschermd.
Beide componenten optimaliseren intern de timing van de gate-driver op beide schakelflanken voor bijna nul dode tijden, waardoor de efficiëntie wordt verbeterd en hoogfrequente werking mogelijk wordt gemaakt. Ontwerpers kunnen de dode tijden ook aanpassen met externe weerstanden. De apparaten zijn verkrijgbaar met bevochtigbare flanken aan de zijkant in quad flat no-lead (QFN)-pakketten. Schema's illustreren typische toepassingscircuits met de LTC40 met 6 afleidingen, 6 mm x 7890 mm (Afbeelding 4) en de LTC28 met 4 afleidingen, 5 mm x 7891 mm (Afbeelding 5).
Ontwerpers kunnen ook profiteren van een portfolio met ADI-energiebeheertools om prestatiedoelstellingen voor de stroomvoorziening te bereiken en kaarten te optimaliseren. De toolset omvat een rekenmachine met variabele buck-weerstand, een stroomconfigurator voor de signaalketen en een op Windows gebaseerde ontwikkelomgeving.
Conclusie
GaN is een transformerend halfgeleidermateriaal dat wordt gebruikt om componenten te produceren met een hoge vermogensdichtheid, ultrasnelle schakelsnelheden en superieure energie-efficiëntie. Productontwerpers kunnen de GaN FET-poortdriverproducten van ADI gebruiken om betrouwbaardere en efficiëntere systemen te creëren met minder componenten, wat resulteert in kleinere systemen met een kleinere voetafdruk en minder gewicht.