Galyum nitrür (GaN) transistörleri 10 yılı aşkın süredir seri üretimdedir. Piyasaya sürüldükleri ilk birkaç yılda, yeni cihazların yüksek anahtarlama hızı - saygıdeğer Si'den 10 kata kadar daha hızlı MOSFET – tasarımcıların GaN FET'leri kullanmasının ana nedeni buydu.
Giriş
GaN cihazlarının fiyatlandırması normalleştikçe mosfetfarklı özelliklere sahip geniş bir cihaz yelpazesinin genişletilmesiyle birleştiğinde Voltaj Değerler ve güç kullanma yetenekleri sayesinde, bilgisayarlar için DC-DC dönüştürücüler, robotlar için motor sürücüleri ve e-mobilite bisikletleri ve scooterlar gibi ana akım uygulamalarda çok daha geniş bir kabul gördü. İlk benimseyenlerden kazanılan deneyim, GaN dünyasına daha sonra girenlerin üretime daha hızlı girmelerine yol açtı.
Bu makale, güç sistemi tasarımcılarının GaN tabanlı tasarımlarından en düşük maliyetle en iyi şekilde yararlanmalarına yardımcı olabilecek üç konuyu tartışan bir dizi makalenin ilkidir. Üç konu şunlardır: (1) düzen hususları; (2) maksimum güç kullanımı için termal tasarım; ve (3) En düşük maliyet için EMI azaltma teknikleri.
GaN'nin Yüksek Anahtarlama Hızından Dolayı Parazit İndüktans
GaN'nin eskime gücünden daha yüksek frekanslarda kullanılması mosfet Güç dönüşümünde parazitik endüktansın bozucu etkilerine ışık tutma kapasitesine sahiptir devre [1] Bu endüktans, azaltılmış EMI üretimi ile GaN'in ekstra hızlı anahtarlama özelliklerinden tam olarak yararlanılmasını engeller. Güç dönüştürücülerin yaklaşık %80'inde kullanılan yarım köprü konfigürasyonu için parazitik endüktansın iki ana kaynağı şunlardır; (1) yüksek frekanslı veri yolu ile birlikte iki güç anahtarlama cihazının oluşturduğu yüksek frekanslı güç döngüsü kondansatör ve (2) geçit sürücüsü, güç cihazı ve yüksek frekanslı geçit tahrik kapasitörü tarafından oluşturulan geçit tahrik döngüsü. Ortak kaynak endüktansı (CSI), döngü endüktansının hem geçit döngüsü hem de güç döngüsü için ortak olan kısmı tarafından tanımlanır. Şekil 1'de oklarla gösterilmiştir.
Şekil 1: Noktalı dairelerle gösterilen ortak kaynak endüktansına sahip güç ve kapı tahrik döngülerini gösteren yarım köprü güç aşamasının şeması
Parazitik Endüktansın En Aza İndirilmesi
Yüksek hızlı güç cihazlarının yerleşimi düşünüldüğünde tüm parazit endüktansların en aza indirilmesi hayati önem taşımaktadır. Hepsini azaltmak mümkün değil bileşenler Endüktansın eşit olması gerekir ve bu nedenle bunlar, ortak kaynak endüktansından başlayarak, ardından güç döngüsü endüktansı ve son olarak geçit döngüsü endüktansından başlayarak önem sırasına göre ele alınmalıdır.
Yüksek içinVoltaj PQFN (Güç Dörtlü Düz Kurşunsuz) mosfet paketlerinde ayrı bir kapı dönüş kaynağı pinine duyulan ihtiyaç iyi bilinmektedir ve aynı zamanda yüksek voltajlı GaN PQFN yapılarında da uygulanmaktadır [2,3]. Bu ayrı pinler mevcut olduğunda, geçit tahrik döngüsü ve güç döngüsü paket içinde ayrılır ve bunların harici olarak nasıl bağlanacağına çok dikkat edilmelidir.
Ortak kaynak endüktansındaki azalma, kapı döngüsünün dışına itilen harici kaynak endüktansının pahasına gerçekleşir. Bu harici endüktans, ortak kaynak endüktansı kaldırıldığında cihazın hızının artması nedeniyle yerden sıçramanın artmasına yol açabilir [4].
Geliştirme modu GaN transistörleri, Kara Izgara Dizisi (LGA) veya Top Izgara Dizisi (BGA) formatındaki terminallerle birlikte Wafer Düzeyinde Çip Ölçeği Paketinde (WLCSP) mevcuttur. Bu cihazların bazıları ayrı bir geçit-dönüş kaynağı pimi sunmaz, bunun yerine Şekil 2'de gösterildiği gibi bir dizi çok düşük endüktanslı bağlantı sunar. Bu paketlerin toplam paket endüktansı genellikle 100 pH'ın altındadır. Bu, endüktansın tüm bileşenlerini büyük ölçüde azaltır ve böylece endüktansla ilgili tüm sorunları azaltır. Bu LGA ve BGA paketleri, hem geçit döngüsü hem de güç döngüsü için "yıldız" bağlantı noktası görevi görecek şekilde kapıya en yakın kaynak pedlerini tahsis ederek, özel bir kapı dönüş pimi veya çubuğuyla donatılmış olanlarla aynı şekilde ele alınabilir. Kapının ve güç döngülerinin düzeni daha sonra, Şekil 2'de gösterildiği gibi akımların zıt veya dik yönlerde akması sağlanarak ayrılır.
Şekil 2: Ortak kaynak endüktansını en aza indiren cihaz akım akışının yönünü gösteren LGA (a) ve BGA (b) formatlarındaki GaN transistörleri
Döngüyü oluşturan bireysel elemanların endüktansını en aza indirirken (örn. kapasitör ESL, cihaz kablo endüktansı ve pcb Ara bağlantı endüktansı) önemli olduğundan, tasarımcılar aynı zamanda toplam döngü endüktansını en aza indirmeye de odaklanmalıdır. Döngünün endüktansı, içinde depolanan manyetik enerji tarafından belirlendiğinden, manyetik alanın kendi kendini iptal etmesini sağlamak için bitişik iletkenler arasındaki bağlantıyı kullanarak genel döngü endüktansını daha da en aza indirmek mümkündür.
Drenaj ve kaynak terminallerinin cihazın bir tarafına yerleştirilmesiyle, manyetik alanın kendi kendini iptal etmesi yoluyla genel endüktansı azaltacak, zıt akımlara sahip bir dizi küçük döngü oluşturulur. Bu sadece Şekil 3(a)'da gösterilen PCB izleri için değil, aynı zamanda Şekil 3(b)'de gösterilen dikey lehim bağlantıları ve ara katman bağlantı yolları için de geçerlidir. Çoklu küçük manyetik alan önleyici döngülerin oluşmasıyla toplam manyetik enerji ve dolayısıyla endüktans önemli ölçüde azalır [5].
Şekil 3: Alternatif akım akışını gösteren PCB üzerine monte edilmiş LGA GaN Transistörü (a) üstten görünüm (b) yandan görünüm
Kısmi döngü endüktansında daha fazla azalma, cihazın her iki tarafındaki drenaj ve kaynak akımlarını merkez hattından dışarı çıkararak ve manyetik alan iptal etkisini çoğaltarak mümkündür. Bu, her bir iletkendeki akımı azaltarak çalışır, böylece depolanan enerji daha da azalır ve daha kısa akım yolu daha düşük bir endüktans sağlar.
Geleneksel Güç Döngüsü Tasarımları
Güç döngüsü endüktans minimizasyonunun gerçek bir düzende nasıl gerçekleştirilebileceğini görmek için, karşılaştırma amacıyla güç döngülerine yönelik iki geleneksel yaklaşım sunulmaktadır. Bu iki yaklaşım sırasıyla “yanal” ve “dikey” olarak adlandırılacaktır.
Yanal Güç Döngüsü Tasarımı
Yan düzen, yüksek frekanslı güç döngüsü alanını en aza indirmek için giriş Kapasitörlerini ve cihazlarını PCB'nin aynı tarafına yakın bir şekilde yerleştirir. Bu tasarım için yüksek frekanslı döngü PCB'nin aynı tarafında bulunur ve güç döngüsü tek bir PCB katmanı üzerinde yanal olarak aktığı için yanal güç döngüsü olarak kabul edilir. LGA Transistör tasarımını kullanan yanal yerleşimin bir örneği Şekil 4'te gösterilmektedir. Bu şekilde yüksek frekanslı döngü vurgulanmıştır.
Şekil 4: LGA GaN transistör tabanlı için geleneksel yanal güç döngüsü Dönüştürücü: (a) üstten görünüm (b) yandan görünüm
Döngünün fiziksel boyutunun en aza indirilmesi parazitik endüktansın azaltılması açısından önemli olsa da, iç katmanların tasarımı da kritik öneme sahiptir. Yanal güç döngüsü tasarımı için, ilk iç katman bir "kalkan katman" görevi görür. Bu katman, iç devrelerin yüksek frekanslı güç döngüsü tarafından üretilen alanlardan korunmasında kritik bir rol oynar. Güç döngüsü, kalkan katmanında güç döngüsüne ters yönde akan bir akımı indükleyen bir manyetik alan üretir. Kalkan katmanındaki akım, orijinal güç döngüsünün manyetik alanına karşı koymak için bir manyetik alan üretir. Nihai sonuç, parazitik güç döngüsü endüktansında bir azalmaya dönüşen manyetik alanların iptal edilmesidir.
Güç döngüsüne yakın tam bir koruma düzlemine sahip olmak, yanal düzen için en düşük güç döngüsü endüktansını sağlar. Bu yaklaşım, güç döngüsünden birinci iç katmanda bulunan kalkan katmanına kadar olan mesafeye büyük ölçüde bağlıdır [6]. Üstteki iki katman birbirine yakın olduğu sürece, yüksek frekanslı döngü endüktansı toplam panel kalınlığına çok az bağımlılık gösterir.
Dikey Güç Döngüsü Tasarımı
Şekil 5'te gösterilen ikinci geleneksel düzen, girişi yerleştirir. Kondansatörler ve fiziksel döngü boyutunu en aza indirmek için kapasitörler doğrudan cihazların altına yerleştirilerek PCB'nin karşıt taraflarında transistörler bulunur. Buna dikey güç döngüsü denir çünkü döngü, PCB üzerinden vialar kullanılarak dikey olarak bağlanır. Şekil 5'teki LGA Transistör tasarımında dikey güç döngüsü vurgulanmıştır.
Şekil 5: LGA Transistör tabanlı dönüştürücü için geleneksel dikey güç döngüsü: (a) üstten görünüm (b) alttan görünüm (c) yandan görünüm
Bu tasarım için dikey yapısından dolayı herhangi bir kalkan katmanı bulunmamaktadır. Dikey güç döngüsü, bir kalkan düzleminin kullanılmasının aksine, endüktansı azaltmak için manyetik alan kendi kendini iptal etme yöntemini (akımların zıt yönlerde aktığı) kullanır.
PCB düzeni için, kartın kalınlığı genellikle kartın üst ve alt taraflarındaki izlerin yatay uzunluğundan çok daha incedir. Levha kalınlığı azaldıkça ilmeğin alanı, yanal güç döngüsüne göre önemli ölçüde küçülür ve üst ve alt katmanlarda zıt yönlerde akan akım, manyetik alanın kendi kendini iptal etmesini sağlamaya başlar. Dikey güç döngüsünün en etkili olabilmesi için panel kalınlığının en aza indirilmesi gerekir.
Güç Döngüsünü Optimize Etme
Azaltılmış döngü boyutunun faydalarını sağlayan, manyetik alanı kendi kendine iptal eden, kart kalınlığından bağımsız endüktansa sahip, tek taraflı bileşen PCB tasarımı olan ve çok katmanlı bir yapı için yüksek verimlilik sağlayan gelişmiş bir yerleşim tekniğidir. Şekil 6'da gösterilmektedir. Tasarım, güç döngüsü dönüş yolu olarak Şekil 6(b)'de gösterilen birinci iç katmanı kullanır. Bu dönüş yolu, Şekil 6(a)'da gösterildiği gibi, doğrudan üst katmanın güç döngüsünün altında yer almaktadır. Bu konumlandırma, manyetik alanın kendi kendini iptal etmesiyle birlikte en küçük fiziksel döngü alanını elde eder. Şekil 6(c)'de gösterilen yandan görünüm, çok katmanlı bir PCB yapısında düşük profilli bir manyetik alan kendi kendini iptal eden döngü oluşturma konseptini göstermektedir.
Şekil 6: LGA Transistör tabanlı dönüştürücü için optimum güç döngüsü: (a) üstten görünüm (b) iç katman 1'in üstten görünümü (c) yandan görünüm
Bu geliştirilmiş düzen, girişi yerleştirir Kondansatörler pozitif giriş voltajı terminalleri üst Transistörün drenaj bağlantılarının yanında bulunur ve üst cihaza yakın bir yerde bulunur. GaN cihazları, yanal ve dikey güç döngüsü durumlarında olduğu gibi düzenlemede bulunur. Aralıklı İndüktör düğümü ve toprak yolları, senkron doğrultucu Transistörün alt tarafında kopyalanır.
Bu aralıklı yollar üç avantaj sağlar: • Yolların zıt yönde akan akımla serpiştirilmesi, manyetik enerji depolamasını azaltır ve manyetik alan iptalinin oluşturulmasına yardımcı olur. Bu, girdap ve yakınlık etkilerinin azalmasına neden olur, böylece AC iletim kayıpları azalır. • Alt Transistörün altında bulunan viyalar, transistörün serbest dönüş süresi boyunca direnci ve buna bağlı iletim kayıplarını azaltır. • Via'lar termal yayılma direncini azaltır, böylece verimlilik ve güç kullanımı artar.
Geleneksel ve optimal tasarımların özellikleri Tablo 1'de karşılaştırılmıştır. Yan Döngü Dikey Döngü Optimal Döngü Tek Taraflı PCB Yeteneği Evet Hayır Evet Manyetik Alan Kendi Kendini İptal Etme Hayır Evet Evet Kart Kalınlığından Bağımsız Endüktans Evet Hayır Evet Kalkan Katmanı Gerekli Evet Hayır Hayır Tablo 1: Geleneksel ve optimal güç döngüsü tasarımlarının özellikleri.
Entegrasyonun Parazitlere Etkisi
GaN transistör tabanlı tasarımların parazitik endüktansını daha da azaltmak için monolitik GaN güç aşaması entegre devreleri mevcuttur [7]. Şekil 7'de monolitik güç aşaması GaN IC'nin blok diyagramı ve gerçek çip fotoğrafı gösterilmektedir. Şekil 8'de gösterilen bu monolitik entegre devrenin deneysel olarak ölçülen verimliliği, aynı dirençli eGaN® transistörlerini kullanan ve bir uPI tarafından çalıştırılan ayrı bir devreyle karşılaştırılır. Yarıiletken uP1966 Si yarım köprü sürücü IC'si [7] optimum düzende. GaN ic'de azaltılmış güç döngüsü ve geçit döngüsü endüktanslarının avantajları, standart bir dönüştürücüde entegrasyondan elde edilen genel verimlilik kazancının 1 MHz'de önemli olması nedeniyle açıkça ortaya çıkıyor.
Şekil 7: Monolitik güç aşaması (a) ve çip fotoğrafı (b) için blok diyagram
Şekil 8: 48 MHz (düz çizgiler) ve 12 MHz'de (kesikli çizgiler) 1 V – 2.5 V Buck dönüştürücüde monolitik GaN güç aşaması (yeşil) ile harici olarak çalıştırılan eşdeğer ayrık GaN transistörleri (mavi) çözümü arasındaki verimlilik karşılaştırması . Siyah “X” en iyi bildirilendir mosfet 1 MHz'de performans.
Özet
Verimli bir devre düzeni PCB alanını en aza indirecek, parazitik endüktanslar tarafından sınırlanan daha yavaş anahtarlama hızları nedeniyle israf edilen güç kaybını azaltacak ve azaltılmış voltaj aşımı nedeniyle sistem güvenilirliğini artıracaktır. GaN transistörleri kullanılırken önemli olan düzen parazitleri tartışıldı; yani ortak kaynak endüktansı, yüksek frekanslı güç döngüsü endüktansı ve geçit döngüsü endüktansı.
Bu performansı engelleyen parazitleri en aza indirmeye yönelik çeşitli yöntemler gözden geçirildi; en temel tek transistörden başlayarak eksiksiz bir monolitik GaN güç aşaması IC'ye kadar. Gelecekteki makalelerde, bu makalede tartışılan yerleşim teknikleri, tümü modern çip ölçekli GaN transistörleri ve IC'lerle birlikte, optimum termal yönetim sistemi tasarımını ve düşük EMI sistemlerinin nasıl oluşturulacağını göstermek için temel alınacaktır.