Os semicondutores de nitreto de gálio (GaN) percorreram um longo caminho desde que se tornaram comercialmente viáveis como diodos emissores de luz (LEDs) azuis altamente brilhantes no início da década de 1990 e, posteriormente, como um núcleo tecnologia para reprodutores de disco óptico Blu-ray. Passariam-se quase duas décadas até que a tecnologia se tornasse comercialmente viável para transistores de efeito de campo (FETs) com alta eficiência de potência.
GaN agora representa um dos segmentos de crescimento mais rápido do Semicondutor indústria, com estimativas compostas de crescimento anual que variam entre 25% e 50%, impulsionadas pela procura de dispositivos com maior eficiência energética para cumprir as metas de sustentabilidade e eletrificação.
Os transistores GaN podem ser usados para projetar dispositivos menores e de maior eficiência do que os transistores de silício. Utilizado inicialmente para sistemas amplificadores de microondas de alta potência, as economias de escala na fabricação de GaN e a capacidade de criar amplificadores pequenos e mais potentes expandiram o uso para criar um mercado de dispositivos multibilionário que abrange aplicações de consumo, industriais e militares.
Acredita-se que os MOSFETs de silício tenham atingido seus limites teóricos para a eletrônica de potência, enquanto os FETs de GaN ainda têm grande potencial para novos avanços de desempenho. Os semicondutores GaN usam mais comumente substratos de carboneto de silício (SiC), seguidos pelo silício, que é mais econômico, ou diamante, que é o de melhor desempenho e mais caro. Os dispositivos GaN operam em temperaturas mais altas, com maior mobilidade e velocidade de elétrons do que os dispositivos baseados em silício e com carga de recuperação reversa baixa ou zero.
Os semicondutores de potência GaN apresentam cerca de cinco vezes a densidade de potência dos semicondutores amplificadores de potência de arsenieto de gálio (GaAs). Com uma eficiência energética de 80% ou mais, os semicondutores GaN fornecem potência, largura de banda e eficiência superiores a alternativas como GaAs e semicondutores de óxido metálico difundidos lateralmente (LDMOS). A tecnologia é agora utilizada em diversas aplicações, desde adaptadores de energia de carga rápida até dispositivos de detecção e alcance de luz (LiDAR) incorporados em sistemas avançados de assistência ao motorista (ADAS) para automóveis.
Os data centers representam outro mercado emergente para dispositivos baseados em GaN que podem atender ao crescente consumo de energia e aos requisitos de resfriamento a custos mais baixos, bem como ajudar a resolver as crescentes disputas ambientais enfrentadas pelas operadoras nas arenas regulatórias e políticas.
Os fabricantes de semicondutores e as empresas de pesquisa de mercado também projetam um mercado crescente para aplicações de baixa e alta tensão em veículos elétricos, desde baterias mais eficientes até inversores de tração de bateria.
Essa é uma área que até o momento tem sido dominada por dispositivos de SiC, que, como o GaN, são classificados como semicondutores de banda larga (WBG) com alta mobilidade eletrônica que “permitem que os componentes eletrônicos de potência sejam menores, mais rápidos, mais confiáveis e mais confiáveis”. mais eficientes do que suas contrapartes baseadas em silício (Si). GaN tem um bandgap de 3.4 eV, em comparação com 2.2 eV para SiC e 1.12 eV para SI.
Os semicondutores de potência GaN e SiC operam em frequências mais altas e têm velocidades de comutação mais rápidas e menor resistência de condução do que o silício. Os dispositivos SiC podem operar em tensões mais altas, enquanto os dispositivos GaN fornecem comutação mais rápida com menor energia, permitindo que os projetistas reduzam o tamanho e o peso. O SiC pode suportar até 1,200 volts, enquanto o GaN geralmente tem sido visto como mais apropriado para até 650 volts, embora dispositivos de tensão mais alta tenham sido introduzidos recentemente.
GaN pode fornecer cerca de 10 vezes a potência na faixa de frequência em comparação com GaAs e outros semicondutores (Figura 1).
Considerações de design
Estima-se que 70% ou mais da energia elétrica consumida em todo o mundo seja processada pela eletrônica de potência. Com as características WBG do GaN, os projetistas podem criar sistemas eletrônicos de potência menores, utilizando maior densidade de potência, eficiência superior e velocidades de comutação ultrarrápidas.
A tecnologia permite a inovação em vários mercados, incluindo eletrônicos de potência, automotivo, armazenamento de energia solar e data centers, entre outros. Altamente resistentes à radiação, os dispositivos GaN são adequados para aplicações militares e aeroespaciais emergentes.
Alguns projetistas eletrônicos podem ter evitado dispositivos de energia GaN devido a percepções errôneas sobre o custo dos materiais. Embora a fabricação do substrato GaN fosse inicialmente muito maior que a do Si, esse diferencial diminuiu consideravelmente, e a utilização de diferentes substratos fornece aos projetistas a capacidade de encontrar a melhor relação entre custo e desempenho.
GaN-on-SiC oferece o mais amplo potencial de mercado para designers com a melhor relação entre custo e desempenho. No entanto, com as opções de GaN-on-Si e GaN-on-diamond, os designers de produtos podem selecionar o substrato mais apropriado para atender às necessidades de preço/desempenho de suas organizações e clientes.
Devido às taxas de comutação muito altas do GaN, os projetistas precisam prestar atenção especial à interferência eletromagnética (EMI) e como ela pode ser mitigada no layout do circuito de energia. Gate drivers ativos, que são essenciais para evitar excesso de tensão, podem reduzir a EMI na comutação de formas de onda.
Outra questão importante do projeto é a indutância e capacitância parasitas que podem resultar em falsos disparos. A maximização das vantagens de desempenho depende do layout ideal dos circuitos de energia laterais e verticais e da adequação da velocidade do driver à velocidade do dispositivo.
Os projetistas também devem otimizar o gerenciamento térmico para evitar aquecimento excessivo que pode comprometer o desempenho e a confiabilidade. A embalagem deve ser avaliada quanto à sua capacidade de reduzir indutâncias e dissipar calor.
Fontes de dispositivos analógicos, amplificadores de potência GaN
Eletrônico os sistemas requerem conversão entre a tensão da fonte de energia e a tensão do circuito que precisa ser alimentado. A Analog Devices, Inc. (ADI), empresa líder de semicondutores de longa data, tem como objetivo fornecer desempenho de amplificador de potência GaN líder do setor juntamente com suporte, permitindo que os projetistas atinjam metas de desempenho superiores e coloquem suas soluções no mercado mais rapidamente.
Drivers de porta e controladores redutores (ou buck) são essenciais para maximizar os benefícios dos dispositivos de energia GaN. Os drivers GaN de meia ponte melhoram o desempenho de comutação e a eficiência geral dos sistemas de energia. Os conversores abaixadores CC para CC convertem uma tensão de entrada mais alta em uma tensão de saída mais baixa.
ADI oferece o LT8418, um driver GaN meia ponte de 100 V que integra estágios de driver superior e inferior, controle lógico de driver, proteções e um switch de bootstrap (Figura 2). Ele pode ser configurado em topologias síncronas de meia ponte ou boost. Os drivers de porta dividida ajustam as taxas de variação de ativação e desativação de GaN FETs para otimizar o desempenho de EMI.
As entradas e saídas do driver ADI GaN apresentam um estado baixo padrão para evitar falsa ativação de FETs GaN. Com um atraso de propagação rápido de 10 ns, juntamente com correspondência de atraso de 1.5 ns entre os canais superior e inferior, o LT8418 é adequado para conversores DC/DC de alta frequência, drivers de motor, amplificadores de áudio classe D, fontes de alimentação de data center, e uma ampla gama de aplicações de energia nos mercados de consumo, industrial e automotivo.
O LTC7890 e o LTC7891 (Figura 3) são de alto desempenho, duplos e únicos, respectivamente, comutação DC-DC redutora regulador controladores para acionar estágios de potência GaN FET síncronos de canal N a partir de tensões de entrada de até 100 V. Com o objetivo de enfrentar muitos dos desafios que os projetistas enfrentam ao usar GaN FETs, esses controladores simplificam o projeto da aplicação, não exigindo diodos de proteção ou outros componentes externos adicionais normalmente usados em silício MOSFET soluções.
Cada controlador fornece aos projetistas a capacidade de ajustar com precisão a tensão do gate driver de 4 V a 5.5 V para otimizar o desempenho e permitir o uso de diferentes GaN FETs e MOSFETs de nível lógico. Os interruptores de bootstrap inteligentes internos evitam a sobrecarga do pino BOOSTx nas fontes do driver do lado superior do pino SWx durante tempos mortos, protegendo o portão do GaN FET superior.
Ambos os componentes otimizam internamente a temporização do gate driver em ambas as bordas de comutação para tempos mortos próximos de zero, melhorando a eficiência e permitindo operação em alta frequência. Os projetistas também podem ajustar os tempos mortos com resistores externos. Os dispositivos estão disponíveis com flancos molháveis laterais em pacotes quad flat sem chumbo (QFN). Os esquemas ilustram circuitos de aplicação típicos com as configurações LTC40 de 6 derivações, 6 mm x 7890 mm (Figura 4) e LTC28 de 4 derivações, 5 mm x 7891 mm (Figura 5).
Os projetistas também podem aproveitar um portfólio de ferramentas de gerenciamento de energia ADI para atingir as metas de desempenho da fonte de alimentação e otimizar as placas. O conjunto de ferramentas inclui uma calculadora de resistor buck variável, um configurador de energia da cadeia de sinal e um ambiente de desenvolvimento baseado em Windows.
Conclusão
GaN é um material semicondutor transformador usado para produzir componentes com alta densidade de potência, velocidades de comutação ultrarrápidas e eficiência energética superior. Os projetistas de produtos podem aproveitar os produtos de driver de porta GaN FET da ADI para criar sistemas mais confiáveis e eficientes com menos componentes, resultando em sistemas menores com espaço e peso reduzidos.