Chất bán dẫn Gallium nitride (GaN) đã đi được một chặng đường dài kể từ khi lần đầu tiên trở nên khả thi về mặt thương mại dưới dạng điốt phát sáng màu xanh lam (LED) có độ sáng cao vào đầu những năm 1990 và sau đó là lõi công nghệ dành cho đầu đĩa quang Blu-ray. Phải gần hai thập kỷ trước khi công nghệ này có thể áp dụng được về mặt thương mại đối với các bóng bán dẫn hiệu ứng trường (FET) với hiệu suất năng lượng cao.
GaN hiện đại diện cho một trong những phân khúc phát triển nhanh nhất của bán dẫn ngành công nghiệp, với ước tính tăng trưởng kép hàng năm từ 25% đến 50%, được thúc đẩy bởi nhu cầu về các thiết bị có hiệu suất năng lượng cao hơn để đáp ứng các mục tiêu về điện khí hóa và bền vững.
Bóng bán dẫn GaN có thể được sử dụng để thiết kế các thiết bị nhỏ hơn, hiệu suất cao hơn bóng bán dẫn silicon. Ban đầu được sử dụng cho các hệ thống khuếch đại vi sóng công suất cao, tính kinh tế nhờ quy mô trong chế tạo GaN và khả năng tạo ra các bộ khuếch đại nhỏ, mạnh hơn đã mở rộng phạm vi sử dụng để tạo ra thị trường thiết bị trị giá hàng tỷ đô la trải rộng trên các ứng dụng tiêu dùng, công nghiệp và quân sự.
MOSFET silicon được nhiều người cho là đã đạt đến giới hạn lý thuyết đối với thiết bị điện tử công suất, trong khi FET GaN vẫn có tiềm năng lớn để cải thiện hiệu suất hơn nữa. Chất bán dẫn GaN thường sử dụng chất nền cacbua silic (SiC), tiếp theo là silicon, tiết kiệm hơn hoặc kim cương, hoạt động tốt nhất và đắt nhất. Các thiết bị GaN hoạt động ở nhiệt độ cao hơn với độ linh động và vận tốc điện tử cao hơn các thiết bị dựa trên silicon và có điện tích phục hồi ngược thấp hoặc bằng 0.
Chất bán dẫn công suất GaN có mật độ công suất gấp khoảng năm lần so với chất bán dẫn khuếch đại công suất gallium arsenide (GaAs). Với hiệu suất năng lượng từ 80% trở lên, chất bán dẫn GaN cung cấp năng lượng, băng thông và hiệu suất vượt trội so với các chất thay thế như GaAs và chất bán dẫn oxit kim loại khuếch tán ngang (LDMOS). Công nghệ này hiện được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, từ bộ đổi nguồn sạc nhanh đến thiết bị phát hiện ánh sáng và phạm vi (LiDAR) được tích hợp vào hệ thống hỗ trợ người lái tiên tiến (ADAS) cho ô tô.
Các trung tâm dữ liệu đại diện cho một thị trường mới nổi khác dành cho các thiết bị dựa trên GaN có thể đáp ứng các yêu cầu làm mát và tiêu thụ điện năng ngày càng tăng với chi phí thấp hơn, cũng như giúp giải quyết các tranh chấp môi trường ngày càng gia tăng mà các nhà khai thác phải đối mặt trong các lĩnh vực pháp lý và chính trị.
Các nhà sản xuất chất bán dẫn và các công ty nghiên cứu thị trường cũng dự đoán một thị trường đang phát triển cho các ứng dụng điện áp thấp và cao trong xe điện, từ pin hiệu quả hơn đến bộ biến tần kéo pin.
Đó là một lĩnh vực cho đến nay vẫn bị thống trị bởi các thiết bị SiC, giống như GaN, được phân loại là chất bán dẫn dải rộng (WBG) có độ linh động điện tử cao “cho phép các linh kiện điện tử công suất nhỏ hơn, nhanh hơn, đáng tin cậy hơn và hiệu quả hơn so với các đối tác dựa trên silicon (Si) của họ.” GaN có dải thông 3.4 eV, so với 2.2 eV của SiC và 1.12 eV của SI.
Chất bán dẫn điện GaN và SiC hoạt động ở tần số cao hơn và có tốc độ chuyển mạch nhanh hơn cũng như điện trở dẫn thấp hơn silicon. Các thiết bị SiC có thể hoạt động ở điện áp cao hơn, trong khi các thiết bị GaN cung cấp khả năng chuyển đổi nhanh hơn với mức năng lượng thấp hơn, cho phép các nhà thiết kế giảm kích thước và trọng lượng. SiC có thể hỗ trợ điện áp lên tới 1,200 volt, trong khi GaN thường được xem là phù hợp hơn với điện áp lên tới 650 volt, mặc dù các thiết bị điện áp cao hơn đã được giới thiệu gần đây.
GaN có thể cung cấp công suất dải tần gấp khoảng 10 lần so với GaA và các chất bán dẫn khác (Hình 1).
Cân nhắc thiết kế
Người ta ước tính rằng 70% năng lượng điện trở lên tiêu thụ trên toàn thế giới được xử lý bằng thiết bị điện tử công suất. Với các đặc tính WBG của GaN, các nhà thiết kế có thể tạo ra các hệ thống điện tử công suất nhỏ hơn, sử dụng mật độ năng lượng cao hơn, hiệu suất vượt trội và tốc độ chuyển mạch cực nhanh.
Công nghệ này cho phép đổi mới ở nhiều thị trường, bao gồm điện tử công suất, ô tô, lưu trữ năng lượng mặt trời và trung tâm dữ liệu, cùng nhiều thị trường khác. Có khả năng chống bức xạ cao, các thiết bị GaN rất phù hợp với các ứng dụng quân sự và hàng không vũ trụ mới nổi.
Một số nhà thiết kế điện tử có thể đã tránh xa các thiết bị điện GaN do nhận thức sai lầm về chi phí vật liệu. Mặc dù việc chế tạo chất nền GaN ban đầu cao hơn nhiều so với Si, nhưng sự khác biệt đó đã giảm đi đáng kể và việc sử dụng các chất nền khác nhau mang lại cho các nhà thiết kế khả năng tìm ra sự cân bằng tốt nhất giữa chi phí và hiệu suất.
GaN-on-SiC mang lại tiềm năng thị trường rộng lớn nhất cho các nhà thiết kế với sự cân bằng tốt nhất giữa chi phí và hiệu suất. Tuy nhiên, với các tùy chọn GaN-on-Si và GaN-on-diamond, các nhà thiết kế sản phẩm có thể chọn chất nền phù hợp nhất để đáp ứng nhu cầu về giá/hiệu suất của tổ chức và khách hàng của họ.
Do tốc độ chuyển mạch của GaN rất cao, các nhà thiết kế cần đặc biệt chú ý đến nhiễu điện từ (EMI) và cách giảm thiểu nhiễu trong cách bố trí vòng lặp nguồn. Trình điều khiển cổng hoạt động, rất cần thiết để ngăn chặn tình trạng quá điện áp, có thể làm giảm EMI khi chuyển đổi dạng sóng.
Một vấn đề thiết kế quan trọng khác là độ tự cảm và điện dung ký sinh có thể dẫn đến kích hoạt sai. Việc tối đa hóa lợi thế về hiệu suất phụ thuộc vào cách bố trí tối ưu các vòng nguồn bên và dọc cũng như tốc độ của trình điều khiển phù hợp với tốc độ của thiết bị.
Các nhà thiết kế cũng phải tối ưu hóa việc quản lý nhiệt để ngăn chặn tình trạng nóng quá mức có thể ảnh hưởng đến hiệu suất và độ tin cậy. Bao bì phải được đánh giá dựa trên khả năng giảm độ tự cảm và tản nhiệt.
Nguồn thiết bị analog Bộ khuếch đại công suất GaN
điện tử hệ thống yêu cầu chuyển đổi giữa điện áp của nguồn cung cấp năng lượng và điện áp của mạch điện cần được cấp nguồn. Công ty bán dẫn hàng đầu lâu năm Analog Devices, Inc. (ADI) đặt mục tiêu mang lại hiệu suất bộ khuếch đại công suất GaN dẫn đầu ngành cùng với sự hỗ trợ, cho phép các nhà thiết kế đạt được mục tiêu hiệu suất cao nhất và đưa giải pháp của họ ra thị trường nhanh hơn.
Trình điều khiển cổng và bộ điều khiển bước xuống (hoặc Buck) rất cần thiết để tối đa hóa lợi ích của các thiết bị nguồn GaN. Trình điều khiển GaN nửa cầu nâng cao hiệu suất chuyển mạch và hiệu suất tổng thể của hệ thống điện. Bộ chuyển đổi giảm dần DC-DC chuyển đổi điện áp đầu vào cao hơn thành điện áp đầu ra thấp hơn.
ADI cung cấp LT8418, trình điều khiển GaN nửa cầu 100 V tích hợp các giai đoạn trình điều khiển trên và dưới, điều khiển logic trình điều khiển, các biện pháp bảo vệ và công tắc khởi động (Hình 2). Nó có thể được cấu hình thành cấu trúc liên kết nửa cầu đồng bộ hoặc tăng cường cấu trúc liên kết. Trình điều khiển cổng phân chia điều chỉnh tốc độ bật và tắt của GaN FET để tối ưu hóa hiệu suất EMI.
Đầu vào và đầu ra của trình điều khiển ADI GaN có trạng thái thấp mặc định để ngăn việc bật sai FET GaN. Với độ trễ lan truyền nhanh là 10 ns, cùng với độ trễ khớp 1.5 ns giữa các kênh trên và dưới, LT8418 phù hợp với bộ chuyển đổi DC/DC tần số cao, trình điều khiển động cơ, bộ khuếch đại âm thanh loại D, bộ nguồn trung tâm dữ liệu, và một loạt các ứng dụng năng lượng trên các thị trường tiêu dùng, công nghiệp và ô tô.
LTC7890 và LTC7891 (Hình 3) lần lượt có hiệu suất cao, kép và đơn, chuyển đổi DC-to-DC bước xuống điều chỉnh bộ điều khiển để điều khiển các giai đoạn nguồn GaN FET đồng bộ kênh N từ điện áp đầu vào lên đến 100 V. Nhằm giải quyết nhiều thách thức mà các nhà thiết kế gặp phải khi sử dụng GaN FET, những bộ điều khiển này đơn giản hóa thiết kế ứng dụng bằng cách không yêu cầu điốt bảo vệ hoặc các thành phần bên ngoài bổ sung khác thường được sử dụng trong silicon MOSFE giải pháp.
Mỗi bộ điều khiển cung cấp cho các nhà thiết kế khả năng điều chỉnh chính xác điện áp của trình điều khiển cổng từ 4 V đến 5.5 V để tối ưu hóa hiệu suất và cho phép sử dụng các FET GaN và MOSFET mức logic khác nhau. Các công tắc khởi động thông minh bên trong ngăn chặn việc sạc quá mức chân BOOSTx vào nguồn cung cấp trình điều khiển phía cao chân SWx trong thời gian chết, bảo vệ cổng của GaN FET trên cùng.
Cả hai thành phần đều tối ưu hóa nội bộ thời gian của trình điều khiển cổng trên cả hai cạnh chuyển mạch để có thời gian chết gần như bằng 40, nâng cao hiệu quả và cho phép vận hành tần số cao. Các nhà thiết kế cũng có thể điều chỉnh thời gian chết bằng điện trở bên ngoài. Các thiết bị này có sẵn với các mặt bên có thể thấm ướt được đóng gói bốn mặt phẳng không chì (QFN). Sơ đồ minh họa các mạch ứng dụng điển hình với cấu hình LTC6 6 đạo trình, 7890 mm x 4 mm (Hình 28) và cấu hình 4 đạo trình, 5 mm x 7891 mm LTC5 (Hình XNUMX).
Các nhà thiết kế cũng có thể tận dụng danh mục công cụ quản lý nguồn ADI để đạt được mục tiêu về hiệu suất nguồn điện và tối ưu hóa bo mạch. Bộ công cụ này bao gồm một máy tính điện trở Buck có thể thay đổi, bộ cấu hình nguồn chuỗi tín hiệu và môi trường phát triển dựa trên Windows.
Kết luận
GaN là vật liệu bán dẫn biến đổi được sử dụng để sản xuất các thành phần có mật độ năng lượng cao, tốc độ chuyển mạch cực nhanh và hiệu suất năng lượng vượt trội. Các nhà thiết kế sản phẩm có thể tận dụng các sản phẩm trình điều khiển cổng GaN FET của ADI để tạo ra các hệ thống đáng tin cậy và hiệu quả hơn với ít thành phần hơn, từ đó tạo ra các hệ thống nhỏ hơn với diện tích và trọng lượng giảm.