Транзисторы из нитрида галлия (GaN) производятся серийно более 10 лет. В первые несколько лет их доступности быстрая скорость переключения новых устройств - до 10 раз быстрее, чем почтенный Si МОП-транзистор - было основной причиной, по которой разработчики использовали полевые транзисторы с GaN.
Введение
Поскольку цены на устройства GaN нормализовались с MOSFET, в сочетании с расширением ассортимента устройств с различными напряжение номинальные характеристики и возможности управления мощностью, гораздо более широкое признание было реализовано в основных приложениях, таких как преобразователи постоянного тока в постоянный для компьютеров, моторные приводы для роботов, а также электромобили, велосипеды и скутеры. Опыт, полученный от первых пользователей, позволил более поздним участникам рынка GaN быстрее приступить к производству.
Эта статья является первой в серии статей, в которых обсуждаются три темы, которые могут помочь разработчикам систем питания максимально эффективно использовать свои конструкции на основе GaN при минимальных затратах. Эти три темы: (1) соображения по макету; (2) тепловой расчет для максимальной мощности; и (3) методы снижения электромагнитных помех с наименьшими затратами.
Паразитная индуктивность из-за высокой скорости переключения GaN
Использование GaN на более высоких частотах, чем мощность старения MOSFET способен привлечь внимание к ухудшению качества паразитной индуктивности при преобразовании энергии. схема [1]. Эта индуктивность препятствует полной реализации возможностей сверхбыстрого переключения GaN при уменьшении генерации электромагнитных помех. Для полумостовой конфигурации, которая используется примерно в 80% силовых преобразователей, двумя основными источниками паразитной индуктивности являются; (1) высокочастотный силовой контур, образованный двумя устройствами переключения мощности вместе с высокочастотной шиной конденсатор и (2) контур управления затвором, образованный драйвером затвора, силовым устройством и высокочастотным конденсатором управления затвором. Общая индуктивность источника (CSI) определяется частью индуктивности контура, которая является общей как для контура затвора, так и для силового контура. Это указано стрелками на рисунке 1.
Рисунок 1: Схема силового каскада полумоста, показывающая цепи питания и управления затвором с общей индуктивностью источника, показанные пунктирными кругами
Минимизация паразитной индуктивности
Минимизация всех паразитных индуктивностей жизненно важна при рассмотрении компоновки высокоскоростных силовых устройств. Невозможно сократить все компоненты индуктивности одинаково, и, следовательно, они должны рассматриваться в порядке важности, начиная с индуктивности общего источника, затем индуктивности силового контура и, наконец, индуктивности контура затвора.
Для высоко-напряжение PQFN (Power Quad Flat без свинца) MOSFET В корпусах необходимость в отдельном выводе истока затвор-возврат хорошо известна и также реализуется в высоковольтных структурах GaN PQFN [2,3]. Когда эти отдельные контакты доступны, контур управления затвором и контур питания разделены внутри корпуса, и при их внешнем подключении необходимо соблюдать особую осторожность.
Уменьшение индуктивности общего источника происходит за счет индуктивности внешнего источника, выталкиваемого за пределы контура затвора. Эта внешняя индуктивность может привести к усилению отскока заземления из-за повышения скорости устройства после удаления индуктивности общего источника [4].
GaN-транзисторы с расширенным режимом доступны в пакете масштабирования кристалла на уровне пластины (WLCSP) с выводами в формате Land Grid Array (LGA) или Ball Grid Array (BGA). Некоторые из этих устройств не имеют отдельного вывода истока затвор-возврат, а имеют ряд соединений с очень низкой индуктивностью, как показано на рисунке 2. Общая индуктивность этих корпусов часто меньше 100 pH. Это значительно снижает все составляющие индуктивности и, таким образом, уменьшает все проблемы, связанные с индуктивностью. С этими корпусами LGA и BGA можно обращаться так же, как с корпусами, снабженными выделенным выводом или перемычкой возврата затвора, путем выделения контактных площадок истока, ближайших к затвору, чтобы они действовали как точка соединения «звезда» как для контура затвора, так и для контура питания. Схема затвора и силового контура затем разделяется за счет протекания токов в противоположных или ортогональных направлениях, как показано на рисунке 2.
Рисунок 2: GaN-транзисторы в форматах LGA (a) и BGA (b), показывающие направление тока устройства, которое минимизирует индуктивность общего источника.
При минимизации индуктивности отдельных элементов, составляющих контур (например, ESL конденсатора, индуктивности выводов устройства и печатная плата индуктивность межсоединения) важно, разработчики также должны сосредоточить внимание на минимизации общей индуктивности контура. Поскольку индуктивность контура определяется магнитной энергией, которая хранится внутри, можно дополнительно минимизировать общую индуктивность контура, используя связь между соседними проводниками для индукции самоподавления магнитного поля.
Путем чередования выводов стока и истока на одной стороне устройства создается ряд небольших петель с противоположными токами, которые уменьшают общую индуктивность за счет самокомпенсации магнитного поля. Это верно не только для дорожек печатной платы, показанных на рисунке 3 (a), но также и для вертикальных паяных соединений и межслойных переходных отверстий, показанных на рисунке 3 (b). При образовании множества небольших контуров подавления магнитного поля общая магнитная энергия и, следовательно, индуктивность значительно уменьшаются [5].
Рисунок 3: Транзистор LGA GaN, установленный на печатной плате, демонстрирует протекание переменного тока (a) вид сверху (b) вид сбоку
Дальнейшее снижение частичной индуктивности контура возможно за счет вывода токов стока и истока с обеих сторон устройства от центральной линии и дублирования эффекта подавления магнитного поля. Это работает за счет уменьшения тока в каждом проводнике, тем самым дополнительно уменьшая запасенную энергию, а более короткий путь тока дает более низкую индуктивность.
Конструкции обычных силовых контуров
Чтобы увидеть, как минимизация индуктивности силового контура может быть реализована в реальной схеме, для сравнения представлены два традиционных подхода к силовым контурам. Эти два подхода мы будем называть «боковым» и «вертикальным» соответственно.
Боковой дизайн силового контура
Боковая компоновка размещает входные конденсаторы и устройства на одной стороне печатной платы в непосредственной близости, чтобы минимизировать площадь высокочастотного силового контура. Высокочастотный контур в этой конструкции расположен на одной стороне печатной платы и считается боковым контуром питания, поскольку контур питания проходит сбоку по одному слою печатной платы. Пример боковой компоновки с использованием конструкции транзистора LGA показан на рисунке 4. На этом рисунке выделен высокочастотный контур.
Рис. 4. Обычная боковая силовая петля для транзистора LGA GaN. Преобразователь: (а) вид сверху (б) вид сбоку
Хотя минимизация физического размера контура важна для уменьшения паразитной индуктивности, конструкция внутренних слоев также имеет решающее значение. Для конструкции бокового силового контура первый внутренний слой служит «защитным слоем». Этот слой играет решающую роль в защите внутренних цепей от полей, создаваемых высокочастотным силовым контуром. Силовой контур генерирует магнитное поле, которое индуцирует ток в защитном слое, который течет в направлении, противоположном силовому контуру. Ток в защитном слое генерирует магнитное поле, чтобы противодействовать магнитному полю исходной силовой петли. Конечным результатом является устранение магнитных полей, что приводит к снижению паразитной индуктивности силового контура.
Наличие полной плоскости экрана в непосредственной близости от силового контура дает самую низкую индуктивность силового контура для боковой схемы. Этот подход сильно зависит от расстояния от силового контура до слоя экрана, содержащегося в первом внутреннем слое [6]. Пока два верхних слоя находятся в непосредственной близости, индуктивность высокочастотного контура мало зависит от общей толщины платы.
Вертикальная конструкция контура питания
Второй стандартный макет, показанный на рис. 5, помещает вход Конденсаторы и транзисторы на противоположных сторонах печатной платы, при этом конденсаторы расположены непосредственно под устройствами, чтобы минимизировать размер физического контура. Это называется вертикальным контуром питания, поскольку контур подключается вертикально через печатную плату с помощью переходных отверстий. В конструкции транзистора LGA на рис. 5 выделен вертикальный силовой контур.
Рисунок 5. Обычный вертикальный силовой контур для преобразователя на базе транзистора LGA: (a) вид сверху (b) вид снизу (c) вид сбоку
В этой конструкции отсутствует защитный слой из-за его вертикальной структуры. Вертикальный силовой контур использует метод самоподавления магнитного поля (с токами, текущими в противоположных направлениях) для уменьшения индуктивности, в отличие от использования плоскости экрана.
Для разводки печатной платы толщина платы обычно намного меньше горизонтальной длины дорожек на верхней и нижней сторонах платы. По мере уменьшения толщины платы площадь контура значительно уменьшается по сравнению с боковым контуром питания, и ток, протекающий в противоположных направлениях на верхнем и нижнем слоях, начинает обеспечивать самоподавление магнитного поля. Чтобы вертикальный силовой контур был наиболее эффективным, необходимо минимизировать толщину платы.
Оптимизация контура питания
Усовершенствованная технология компоновки, которая обеспечивает преимущества уменьшенного размера петли, имеет самоподавление магнитного поля, имеет индуктивность, не зависящую от толщины платы, представляет собой одностороннюю конструкцию компонентной печатной платы и обеспечивает высокую эффективность для многослойной структуры. показано на рисунке 6. В конструкции используется первый внутренний слой, показанный на рисунке 6 (b), в качестве обратного пути силового контура. Этот обратный путь расположен непосредственно под силовым контуром верхнего уровня, как показано на Рисунке 6 (а). Такое позиционирование обеспечивает наименьшую площадь физической петли в сочетании с самоподавлением магнитного поля. Вид сбоку, показанный на рисунке 6 (c), иллюстрирует концепцию создания низкопрофильной петли самокомпенсирования магнитного поля в многослойной структуре печатной платы.
Рисунок 6. Оптимальный контур питания для преобразователя на основе транзистора LGA: (a) вид сверху (b) вид сверху на внутренний слой 1 (c) вид сбоку
Этот улучшенный макет помещает ввод Конденсаторы в непосредственной близости от верхнего устройства, при этом положительные клеммы входного напряжения расположены рядом с дренажными соединениями верхнего транзистора. Приборы GaN расположены по схеме как в случае бокового, так и вертикального силового шлейфа. Узел чередующейся индуктивности и отверстия заземления дублируются на нижней стороне транзистора синхронного выпрямителя.
Эти чередующиеся переходные отверстия обеспечивают три преимущества: • Чередование переходных отверстий с током, протекающим в противоположном направлении, уменьшает накопление магнитной энергии и помогает генерировать подавление магнитного поля. Это приводит к уменьшению эффектов вихря и близости, тем самым уменьшая потери проводимости переменного тока. • Переходные отверстия, расположенные под нижним транзистором, уменьшают сопротивление и сопутствующие потери проводимости в период свободного хода транзистора. • Переходные отверстия уменьшают сопротивление термическому растеканию, тем самым повышая эффективность и мощность.
Характеристики обычной и оптимальной конструкции сравниваются в таблице 1. Боковая петля Вертикальная петля Оптимальная петля Односторонняя печатная плата Да Нет Да Самокомпенсация магнитного поля Нет Да Да Индуктивность, независимая от толщины платы Да Нет Да Требуется экранирующий слой Да Нет Нет Таблица 1: Характеристики традиционных и оптимальных конструкций силового контура.
Влияние интеграции на паразитов
Для дальнейшего снижения паразитной индуктивности конструкций на основе GaN-транзисторов доступны монолитные интегральные схемы силового каскада GaN [7]. На рисунке 7 показаны блок-схема и реальная фотография кристалла монолитной силовой ступени GaN IC. Экспериментально измеренный КПД этой монолитной интегральной схемы, показанной на рисунке 8, сравнивается с дискретной схемой, использующей транзисторы eGaN® с таким же сопротивлением и управляемые микросхемой uPI. Полупроводниковое uP1966 Микросхема полумостового драйвера Si [7] в оптимальной компоновке. Преимущества уменьшенной индуктивности силового контура и затвора в GaN-схеме становятся очевидными, поскольку общий выигрыш в эффективности от интеграции значителен на частоте 1 МГц в стандартном понижающем преобразователе.
Рисунок 7: Блок-схема монолитного силового каскада (а) и фото микросхемы (б)
Рис. 8. Сравнение эффективности монолитного силового каскада на GaN (зеленый) и эквивалентного дискретного GaN-транзистора с внешним управлением (синий) в понижающем преобразователе 48–12 В на частотах 1 МГц (сплошные линии) и 2.5 МГц (пунктирные линии) . Черный «X» лучше всего сообщается MOSFET производительность на частоте 1 МГц.
Обзор
Эффективная компоновка схемы минимизирует площадь печатной платы, уменьшит бесполезное рассеивание мощности из-за более медленных скоростей переключения, ограниченных паразитными индуктивностями, и повысит надежность системы из-за снижения выбросов напряжения. Обсуждались паразиты компоновки, которые важны при использовании транзисторов GaN; а именно индуктивность общего источника, индуктивность высокочастотного силового контура и индуктивность контура затвора.
Было рассмотрено несколько методов минимизации этих паразитных эффектов, снижающих производительность, начиная с простого одиночного транзистора и заканчивая полностью монолитной ИС силового каскада на основе GaN. В будущих статьях методы компоновки, обсуждаемые в этой статье, будут основаны на том, чтобы показать оптимальную конструкцию систем терморегулирования и способы создания систем с низким уровнем электромагнитных помех, все с современными кристаллами GaN-транзистора и ИС.