ทรานซิสเตอร์แกลเลียมไนไตรด์ (GaN) มีการผลิตจำนวนมากมานานกว่า 10 ปี ในช่วงสองสามปีแรกของการวางจำหน่ายความเร็วในการสลับที่รวดเร็วของอุปกรณ์ใหม่ - เร็วกว่า Si ที่เคารพมากถึง 10 เท่า MOSFET - เป็นเหตุผลหลักที่ทำให้นักออกแบบใช้ GaN FET
บทนำ
เนื่องจากราคาของอุปกรณ์ GaN เป็นมาตรฐานกับ MOSFETควบคู่ไปกับการขยายตัวของอุปกรณ์ที่หลากหลายและแตกต่างกัน แรงดันไฟฟ้า การจัดอันดับและความสามารถในการจัดการพลังงานการยอมรับที่กว้างขึ้นเป็นจริงในแอปพลิเคชันหลักเช่นตัวแปลง DC-DC สำหรับคอมพิวเตอร์มอเตอร์ไดรฟ์สำหรับหุ่นยนต์จักรยานและสกู๊ตเตอร์แบบ e-mobility ประสบการณ์ที่ได้รับจากผู้ใช้งานในยุคแรกทำให้ผู้ที่เข้ามาในโลก GaN ในภายหลังเข้าสู่การผลิตได้เร็วขึ้น
บทความนี้เป็นบทความแรกในชุดบทความที่กล่าวถึงสามหัวข้อที่สามารถช่วยให้นักออกแบบระบบไฟฟ้าได้รับประโยชน์สูงสุดจากการออกแบบที่ใช้ GaN ด้วยต้นทุนที่ต่ำที่สุด สามหัวข้อคือ: (1) การพิจารณาเค้าโครง; (2) การออกแบบระบายความร้อนเพื่อการจัดการพลังงานสูงสุด และ (3) เทคนิคการลด EMI เพื่อต้นทุนต่ำสุด
การเหนี่ยวนำของปรสิตเนื่องจากความเร็วในการสลับของ GaN สูง
การใช้ GaN ที่ความถี่สูงกว่ากำลังไฟฟ้าอายุ MOSFET มีความสามารถได้ให้ความสำคัญกับผลกระทบที่ลดลงของการเหนี่ยวนำปรสิตในการแปลงพลังงาน วงจรไฟฟ้า [1]. การเหนี่ยวนำนี้เป็นอุปสรรคต่อการดึงประโยชน์อย่างเต็มที่จากความสามารถในการสลับที่รวดเร็วเป็นพิเศษของ GaN พร้อมการสร้าง EMI ที่ลดลง สำหรับการกำหนดค่าฮาล์ฟบริดจ์ ซึ่งใช้ในตัวแปลงกำลังประมาณ 80% แหล่งที่มาหลักสองประการของการเหนี่ยวนำปรสิตคือ (1) วงจรกำลังความถี่สูงที่เกิดขึ้นจากอุปกรณ์สวิตช์ไฟสองตัวพร้อมกับบัสความถี่สูง capacitor และ (2) ลูปไดรฟ์เกตที่เกิดจากตัวขับเกต อุปกรณ์ไฟฟ้า และตัวเก็บประจุไดรฟ์เกตความถี่สูง ตัวเหนี่ยวนำแหล่งร่วม (CSI) ถูกกำหนดโดยส่วนของตัวเหนี่ยวนำลูปที่ใช้ร่วมกับทั้งลูปเกตและลูปกำลัง มันถูกระบุด้วยลูกศรในรูปที่ 1
รูปที่ 1: แผนผังของขั้นตอนการจ่ายกำลังครึ่งสะพานที่แสดงกำลังและลูปไดรฟ์เกตที่มีการเหนี่ยวนำของแหล่งที่มาทั่วไปแสดงเป็นวงกลมที่มีจุด
การลดการเหนี่ยวนำของปรสิต
การลดการเหนี่ยวนำของปรสิตทั้งหมดมีความสำคัญเมื่อพิจารณารูปแบบของอุปกรณ์ไฟฟ้าความเร็วสูง จะลดทั้งหมดก็ไม่ได้ ส่วนประกอบ ของการเหนี่ยวนำเท่า ๆ กันดังนั้นจึงต้องได้รับการแก้ไขตามลำดับความสำคัญโดยเริ่มจากการเหนี่ยวนำของแหล่งที่มาทั่วไปจากนั้นการเหนี่ยวนำวงกำลังและสุดท้ายคือการเหนี่ยวนำวงประตู
สำหรับสูง-แรงดันไฟฟ้า PQFN (Power Quad Flat ไม่มีตะกั่ว) MOSFET ความต้องการพินแหล่งกำเนิดเกตกลับที่แยกจากกันเป็นที่รู้จักกันดี และยังมีการนำไปใช้ในโครงสร้าง GaN PQFN แรงดันสูง [2,3] เมื่อมีพินแยกเหล่านี้ ลูปไดรฟ์เกตและลูปกำลังจะถูกแยกออกจากกันภายในแพ็คเกจ และต้องใช้ความระมัดระวังอย่างยิ่งในการเชื่อมต่อพินเหล่านี้จากภายนอก
การลดลงของความเหนี่ยวนำของแหล่งที่มาทั่วไปเกิดจากค่าใช้จ่ายของการเหนี่ยวนำแหล่งภายนอกผลักออกนอกวงประตู การเหนี่ยวนำภายนอกนี้สามารถนำไปสู่การตีกลับพื้นเพิ่มขึ้นเนื่องจากความเร็วที่ดีขึ้นของอุปกรณ์เมื่อการเหนี่ยวนำแหล่งที่มาทั่วไปถูกลบออกไป [4]
ทรานซิสเตอร์ GaN ในโหมดการเพิ่มประสิทธิภาพมีให้ใน Wafer Level Chip-Scale Package (WLCSP) พร้อมเทอร์มินัลในรูปแบบ Land Grid Array (LGA) หรือ Ball Grid Array (BGA) อุปกรณ์เหล่านี้บางตัวไม่มีพินต้นทางเกต - รีเทิร์นแยกต่างหาก แต่มีการเชื่อมต่อแบบเหนี่ยวนำที่ต่ำมากดังแสดงในรูปที่ 2 ค่าความเหนี่ยวนำรวมของแพ็กเกจเหล่านี้มักจะน้อยกว่า 100 pH สิ่งนี้ช่วยลดส่วนประกอบทั้งหมดของการเหนี่ยวนำได้อย่างมากและจึงช่วยลดปัญหาที่เกี่ยวข้องกับการเหนี่ยวนำทั้งหมด แพคเกจ LGA และ BGA เหล่านี้สามารถปฏิบัติได้ในลักษณะเดียวกับชุดที่ให้มาพร้อมกับขากลับประตูหรือบาร์โดยการจัดสรรแผ่นรองต้นทางที่อยู่ใกล้กับประตูมากที่สุดเพื่อทำหน้าที่เป็นจุดเชื่อมต่อ "ดาว" สำหรับทั้งเกตลูปและลูปกำลัง จากนั้นเค้าโครงของเกตและลูปพาวเวอร์จะถูกแยกออกจากกันโดยให้กระแสไหลในทิศทางตรงกันข้ามหรือมุมฉากดังแสดงในรูปที่ 2
รูปที่ 2: ทรานซิสเตอร์ GaN ในรูปแบบ LGA (a) และ BGA (b) แสดงทิศทางการไหลของกระแสอุปกรณ์ที่ลดการเหนี่ยวนำแหล่งที่มาทั่วไปให้น้อยที่สุด
ในขณะที่ลดการเหนี่ยวนำของแต่ละองค์ประกอบที่ประกอบกันเป็นลูป (เช่นตัวเก็บประจุ ESL ตัวเหนี่ยวนำอุปกรณ์ PCB interconnect inductance) เป็นสิ่งสำคัญนักออกแบบยังต้องให้ความสำคัญกับการลดความเหนี่ยวนำของลูปทั้งหมดให้น้อยที่สุด เนื่องจากความเหนี่ยวนำของลูปถูกกำหนดโดยพลังงานแม่เหล็กที่เก็บอยู่ภายในจึงสามารถลดความเหนี่ยวนำของลูปโดยรวมให้เหลือน้อยที่สุดโดยใช้การมีเพศสัมพันธ์ระหว่างตัวนำที่อยู่ติดกันเพื่อกระตุ้นให้เกิดการยกเลิกตัวเองของสนามแม่เหล็ก
ด้วยการสอดท่อระบายน้ำและขั้วต้นทางไว้ที่ด้านหนึ่งของอุปกรณ์จะมีการสร้างลูปเล็ก ๆ จำนวนหนึ่งที่มีกระแสตรงข้ามซึ่งจะลดความเหนี่ยวนำโดยรวมผ่านการยกเลิกตัวเองของสนามแม่เหล็ก สิ่งนี้ไม่เพียง แต่เป็นจริงสำหรับร่องรอย PCB ที่แสดงในรูปที่ 3 (a) เท่านั้น แต่ยังรวมถึงการเชื่อมต่อบัดกรีแนวตั้งและจุดเชื่อมต่อระหว่างชั้นที่แสดงในรูปที่ 3 (b) เมื่อเกิดลูปยกเลิกสนามแม่เหล็กขนาดเล็กจำนวนมากพลังงานแม่เหล็กทั้งหมดและดังนั้นการเหนี่ยวนำจึงลดลงอย่างมีนัยสำคัญ [5]
รูปที่ 3: ทรานซิสเตอร์ LGA GaN ที่ติดตั้งบน PCB แสดงการไหลของกระแสสลับ (a) มุมมองด้านบน (b) มุมมองด้านข้าง
การลดความเหนี่ยวนำของลูปบางส่วนเพิ่มเติมสามารถทำได้โดยการนำทั้งท่อระบายน้ำและกระแสต้นทางออกทั้งสองด้านของอุปกรณ์จากเส้นกึ่งกลางและทำซ้ำเอฟเฟกต์การยกเลิกสนามแม่เหล็ก วิธีนี้ทำงานโดยการลดกระแสในแต่ละตัวนำซึ่งจะช่วยลดพลังงานที่จัดเก็บลงได้มากขึ้นและเส้นทางกระแสไฟฟ้าที่สั้นลงจะทำให้เกิดการเหนี่ยวนำที่ต่ำลง
การออกแบบ Power Loop แบบเดิม
หากต้องการดูว่าการลดขนาดตัวเหนี่ยวนำของพาวเวอร์ลูปสามารถรับรู้ได้อย่างไรในเค้าโครงจริงจะมีการนำเสนอวิธีการทั่วไปสองวิธีสำหรับลูปกำลังเพื่อเปรียบเทียบ สองแนวทางนี้เรียกว่า "ด้านข้าง" และ "แนวตั้ง" ตามลำดับ
การออกแบบ Power Loop ด้านข้าง
เค้าโครงด้านข้างจะวางตัวเก็บประจุอินพุตและอุปกรณ์ไว้ที่ด้านเดียวกันของ PCB ในบริเวณใกล้เคียงเพื่อลดพื้นที่ของลูปกำลังความถี่สูงให้เหลือน้อยที่สุด ลูปความถี่สูงสำหรับการออกแบบนี้อยู่ที่ด้านเดียวกันของ PCB และถือเป็นลูปกำลังด้านข้าง เนื่องจากลูปกำลังไหลไปทางด้านข้างบนชั้น PCB เดียว ตัวอย่างของโครงร่างด้านข้างโดยใช้การออกแบบทรานซิสเตอร์ LGA แสดงในรูปที่ 4 วงจรความถี่สูงถูกเน้นไว้ในรูปนี้
รูปที่ 4: พาวเวอร์ลูปด้านข้างทั่วไปสำหรับทรานซิสเตอร์ LGA GaN Converter: (ก) มุมมองด้านบน (ข) มุมมองด้านข้าง
ในขณะที่การลดขนาดทางกายภาพของห่วงเป็นสิ่งสำคัญในการลดการเหนี่ยวนำของปรสิตการออกแบบชั้นในก็มีความสำคัญเช่นกัน สำหรับการออกแบบห่วงกำลังด้านข้างชั้นในแรกจะทำหน้าที่เป็น "ชั้นป้องกัน" เลเยอร์นี้มีบทบาทสำคัญในการป้องกันวงจรภายในจากฟิลด์ที่สร้างโดยลูปกำลังความถี่สูง ลูปกำลังสร้างสนามแม่เหล็กที่เหนี่ยวนำกระแสในชั้นโล่ที่ไหลไปในทิศทางตรงกันข้ามกับลูปกำลัง กระแสในชั้นโล่สร้างสนามแม่เหล็กเพื่อต่อต้านสนามแม่เหล็กของลูปกำลังเดิม ผลลัพธ์ที่ได้คือการยกเลิกสนามแม่เหล็กซึ่งแปลเป็นการลดการเหนี่ยวนำวงกำลังของกาฝาก
การมีระนาบโล่ที่สมบูรณ์ในบริเวณใกล้เคียงกับลูปกำลังจะทำให้เกิดการเหนี่ยวนำของลูปกำลังต่ำที่สุดสำหรับเลย์เอาต์ด้านข้าง วิธีนี้ขึ้นอยู่กับระยะห่างจากห่วงพลังงานไปยังชั้นโล่ที่มีอยู่ในชั้นในแรก [6] อย่างมาก ตราบใดที่สองชั้นบนสุดอยู่ใกล้กันการเหนี่ยวนำวงความถี่สูงจะแสดงการพึ่งพาความหนาของกระดานทั้งหมดเพียงเล็กน้อย
การออกแบบ Power Loop ในแนวตั้ง
เลย์เอาต์ทั่วไปที่สอง แสดงในรูปที่ 5 วางอินพุต ตัวเก็บประจุ และทรานซิสเตอร์ที่ด้านตรงข้ามของ PCB โดยมีตัวเก็บประจุอยู่ใต้อุปกรณ์โดยตรงเพื่อลดขนาดลูปทางกายภาพให้เหลือน้อยที่สุด สิ่งนี้เรียกว่าลูปกำลังแนวตั้งเนื่องจากลูปเชื่อมต่อในแนวตั้งผ่าน PCB โดยใช้จุดแวะ การออกแบบทรานซิสเตอร์ LGA ในรูปที่ 5 มีการเน้นลูปกำลังในแนวตั้ง
รูปที่ 5: ลูปกำลังแนวตั้งทั่วไปสำหรับตัวแปลงที่ใช้ทรานซิสเตอร์ LGA: (a) มุมมองด้านบน (b) มุมมองด้านล่าง (c) มุมมองด้านข้าง
สำหรับการออกแบบนี้ไม่มีชั้นป้องกันเนื่องจากโครงสร้างในแนวตั้ง ลูปกำลังแนวตั้งใช้วิธีการยกเลิกตัวเองด้วยสนามแม่เหล็ก (โดยมีกระแสไหลไปในทิศทางตรงกันข้าม) เพื่อลดการเหนี่ยวนำซึ่งต่างจากการใช้ระนาบโล่
สำหรับโครงร่าง PCB โดยทั่วไปความหนาของบอร์ดจะบางกว่าความยาวแนวนอนของร่องรอยที่ด้านบนและด้านล่างของบอร์ดมาก เมื่อความหนาของบอร์ดลดลงพื้นที่ของลูปจะลดลงอย่างมีนัยสำคัญเมื่อเทียบกับลูปกำลังด้านข้างและกระแสที่ไหลในทิศทางตรงกันข้ามที่ชั้นบนและชั้นล่างจะเริ่มให้การยกเลิกตัวเองของสนามแม่เหล็ก เพื่อให้การวนรอบในแนวตั้งมีประสิทธิภาพสูงสุดต้องลดความหนาของบอร์ด
การปรับ Power Loop ให้เหมาะสม
เทคนิคการจัดวางที่ได้รับการปรับปรุงซึ่งให้ประโยชน์ของขนาดลูปที่ลดลงมีการยกเลิกสนามแม่เหล็กด้วยตนเองมีการเหนี่ยวนำที่ไม่ขึ้นกับความหนาของบอร์ดเป็นการออกแบบ PCB แบบด้านเดียวและให้ประสิทธิภาพสูงสำหรับโครงสร้างหลายชั้นคือ แสดงในรูปที่ 6 การออกแบบใช้ชั้นในตัวแรกดังแสดงในรูปที่ 6 (b) เป็นพา ธ ย้อนกลับของพาวเวอร์ลูป เส้นทางส่งกลับนี้อยู่ใต้ลูปพาวเวอร์ของเลเยอร์บนสุดดังแสดงในรูปที่ 6 (a) การวางตำแหน่งนี้ทำให้เกิดพื้นที่ลูปทางกายภาพที่เล็กที่สุดรวมกับการยกเลิกตัวเองด้วยสนามแม่เหล็ก มุมมองด้านข้างที่แสดงในรูปที่ 6 (c) แสดงให้เห็นถึงแนวคิดของการสร้างลูปการยกเลิกตัวเองด้วยสนามแม่เหล็กที่มีรายละเอียดต่ำในโครงสร้าง PCB หลายชั้น
รูปที่ 6: วงจรกำลังที่เหมาะสมที่สุดสำหรับตัวแปลงที่ใช้ทรานซิสเตอร์ LGA: (a) มุมมองด้านบน (b) มุมมองด้านบนของเลเยอร์ภายใน 1 (c) มุมมองด้านข้าง
รูปแบบที่ได้รับการปรับปรุงนี้จะวางอินพุต ตัวเก็บประจุ ใกล้กับอุปกรณ์ด้านบน โดยมีขั้วแรงดันไฟฟ้าอินพุตบวกอยู่ติดกับจุดเชื่อมต่อท่อระบายของทรานซิสเตอร์ด้านบน อุปกรณ์ GaN ตั้งอยู่ในการจัดเรียงเช่นเดียวกับในกรณีลูปกำลังด้านข้างและแนวตั้ง โหนดตัวเหนี่ยวนำแบบอินเตอร์ลีฟและจุดผ่านกราวด์ถูกทำซ้ำที่ด้านล่างของทรานซิสเตอร์วงจรเรียงกระแสแบบซิงโครนัส
จุดแวะแบบอินเทอร์ลีฟเหล่านี้มีข้อดีสามประการ: • การอินเทอร์ลีฟของจุดแวะที่มีกระแสไหลในทิศทางตรงกันข้าม ช่วยลดการกักเก็บพลังงานแม่เหล็ก และช่วยสร้างการยกเลิกสนามแม่เหล็ก ส่งผลให้ผลกระทบจากการหมุนวนและความใกล้เคียงลดลง ซึ่งช่วยลดการสูญเสียการนำไฟฟ้ากระแสสลับได้ • จุดแวะที่อยู่ใต้ทรานซิสเตอร์ตัวล่างจะช่วยลดความต้านทานและการสูญเสียการนำไฟฟ้าที่เกิดขึ้นในระหว่างช่วงการหมุนอิสระของทรานซิสเตอร์ • จุดแวะลดความต้านทานการแพร่กระจายความร้อน จึงเพิ่มประสิทธิภาพและการจัดการพลังงาน
คุณลักษณะของการออกแบบทั่วไปและการออกแบบที่เหมาะสมที่สุดได้รับการเปรียบเทียบในตารางที่ 1 ลูปด้านข้าง ลูปแนวตั้ง ความสามารถของวงจรวงจรด้านเดียวที่เหมาะสมที่สุด ใช่ ไม่ใช่ ใช่ การยกเลิกตัวเองของสนามแม่เหล็ก ไม่ ใช่ ใช่ ตัวเหนี่ยวนำที่ไม่ขึ้นกับความหนาของบอร์ด ใช่ ไม่ใช่ ใช่ ต้องใช้ชั้นชีลด์ ใช่ ไม่ใช่ ไม่ใช่ ตารางที่ 1: ลักษณะของการออกแบบวงจรกำลังแบบธรรมดาและเหมาะสมที่สุด
ผลกระทบของการบูรณาการกับปรสิต
เพื่อลดการเหนี่ยวนำปรสิตของการออกแบบที่ใช้ทรานซิสเตอร์ GaN จึงมีวงจรรวมระดับพลังงาน GaN แบบเสาหิน [7] ในรูปที่ 7 จะแสดงแผนภาพบล็อกและภาพถ่ายชิปจริงของ GaN IC ขั้นพลังงานเสาหิน ประสิทธิภาพที่วัดได้จากการทดลองของวงจรรวมเสาหินนี้ ดังแสดงในรูปที่ 8 เปรียบเทียบกับวงจรแยกที่ใช้ทรานซิสเตอร์ eGaN® ที่มีความต้านทานออนเท่ากันและขับเคลื่อนโดย uPI สารกึ่งตัวนำ uP1966 IC ไดรเวอร์ฮาล์ฟบริดจ์ Si [7] ในรูปแบบที่เหมาะสมที่สุด ข้อดีของการลดตัวเหนี่ยวนำลูปกำลังและเกตใน GaN ic จะชัดเจน เนื่องจากประสิทธิภาพโดยรวมที่ได้รับจากการรวมมีความสำคัญที่ 1 MHz ในตัวแปลงบั๊กมาตรฐาน
รูปที่ 7: แผนภาพบล็อกสำหรับระยะกำลังเสาหิน (a) และรูปถ่ายชิป (b)
รูปที่ 8: การเปรียบเทียบประสิทธิภาพระหว่างสเตจพลังงาน GaN แบบเสาหิน (สีเขียว) และโซลูชันทรานซิสเตอร์ GaN แบบแยกอิสระเทียบเท่าที่ขับเคลื่อนด้วยภายนอก (สีน้ำเงิน) ในตัวแปลงบั๊ก 48 V – 12 V ที่ 1 MHz (เส้นทึบ) และ 2.5 MHz (เส้นประ) . ตัวอักษร “X” สีดำเป็นสัญญาณที่ดีที่สุด MOSFET ประสิทธิภาพที่ 1 MHz.
สรุป
รูปแบบวงจรที่มีประสิทธิภาพจะลดพื้นที่ PCB ให้เหลือน้อยที่สุดลดการสูญเสียพลังงานที่สิ้นเปลืองเนื่องจากความเร็วในการสลับที่ช้าลงซึ่งถูก จำกัด โดยการเหนี่ยวนำแบบกาฝากและปรับปรุงความน่าเชื่อถือของระบบเนื่องจากแรงดันไฟฟ้าเกิน เลย์เอาต์ปรสิตที่มีความสำคัญเมื่อใช้ทรานซิสเตอร์ GaN ถูกกล่าวถึง; คือการเหนี่ยวนำแหล่งที่มาทั่วไปการเหนี่ยวนำวงกำลังความถี่สูงและการเหนี่ยวนำลูปประตู
มีการทบทวนวิธีการหลายวิธีในการลดประสิทธิภาพการยับยั้งปรสิตเหล่านี้โดยเริ่มจากทรานซิสเตอร์ตัวเดียวขั้นพื้นฐานที่สุดผ่าน IC ขั้นตอนพลังงาน GaN แบบเสาหินที่สมบูรณ์ ในบทความอนาคตเทคนิคการจัดวางที่กล่าวถึงในบทความนี้จะถูกสร้างขึ้นเพื่อแสดงการออกแบบระบบการจัดการระบายความร้อนที่เหมาะสมและวิธีสร้างระบบ EMI ต่ำทั้งหมดนี้มีทรานซิสเตอร์ GaN และ IC ขนาดชิปที่ทันสมัย