Статья

Как GaN HEMT могут помочь вам повысить эффективность источников питания

За многие годы работы в электронной промышленности, как в качестве практического разработчика схем, так и в качестве редактора, я обнаружил, что большинство инженеров (включая меня) не очень интересуются глубокими деталями полупроводниковых материалов, процессов и технологий производства. Конечно, есть те, кто живет ради ежегодной конференции IEEE ISSCC (International Solid State Circuits Conference) и заботится о деталях процессов и инновациях, и их работа важна, впечатляет и достойна восхищения.

Однако большинство инженеров-проектировщиков хотят знать не то, как сделано устройство, а то, что оно может делать: его сильные и слабые стороны, компромиссы и другие ключевые атрибуты. Заявление о том, что "мой процесс меньше, лучше, энергоэффективнее, быстрее и, возможно, дешевле, чем ваш", само по себе не является захватывающим; вместо этого для большинства потенциальных пользователей действительно важны получаемые детали, цифры и графики из технических паспортов.

Несмотря на такое мнение, реальность такова, что технологический процесс является важным и основополагающим фактором для повышения производительности и возможностей полупроводников. Это особенно справедливо в отношении современных устройств питания, где коммерциализация новых или усовершенствованных процессов переопределяет возможности коммутационных схем и их систем. Области применения варьируются от небольших зарядных устройств для смартфонов до автомобилей EV и их зарядных станций. Я мог бы назвать эти достижения "революционными", но это слово слишком часто употребляется и утратило свое истинное значение.

Широкополосные устройства в основе новых возможностей

В основе этих изменений лежит доступность силовых полупроводников с широкой полосой пропускания (WBG), изготовленных с использованием материалов и процессов на основе карбида кремния (SiC) и нитрида галлия (GaN). Устройства с широким зазором обладают многочисленными преимуществами по сравнению с традиционными кремниевыми (Si) устройствами и во многих случаях вытесняют их или позволяют создавать новые конструкции, которые ранее были невозможны (рис. 1).

Рисунок 1: Относительные характеристики силовых приборов на основе GaN и SiC показывают, что эти новые компоненты WBG обладают привлекательными характеристиками по сравнению с компонентами только на основе кремния.

В частности, высокоэлектронно-мобильные транзисторы (HEMT) на основе GaN превосходят традиционные кремниевые приборы по частоте переключения, номинальной мощности, тепловым характеристикам и эффективности, что является важнейшими факторами повышения производительности современных преобразователей мощности. Эти преимущества обусловлены присущими GaN достоинствами - напряжением WBG, высоким критическим электрическим полем пробоя, высокой теплопроводностью и высокой скоростью электронного насыщения. Силовые коммутационные устройства на основе GaN могут обеспечить малое сопротивление "включения", высокий ток и высокую плотность мощности.

Коммерчески доступные силовые коммутационные устройства на основе GaN обеспечивают рабочее напряжение от 100 до почти 1000 вольт, высокую частоту переключения, работу при высоких температурах и уменьшенные потери при переключении. GaNобладает более высокими характеристиками, чем SiC, однако этот материал сложнее кристаллизовать и обрабатывать.

HEMT - это технология GaN, в которой элементы формируются только на поверхности подложки, на которой возможен рост кристаллов GaN. В настоящее время основными коммерческими GaN FET являются латеральные HEMT.

В латеральной структуре GaN FET имеется кремниевая подложка, GaN-буфер, барьер из нитрида галлия алюминия (AlGaN), три соединительных вывода (исток, затвор и сток), слой пассивации (защитный диэлектрик) и полевая пластина, простирающаяся от вывода истока (рис. 2). Гетеропереход (соединение двух различных полупроводников) между барьером AlGaN и буфером GaNобразует канал с двумерным электронным газом (2DEG).

Рисунок 2: Структура силовых устройств на основе GaN включает в себя несколько слоев и канал 2DEG, по которому течет или отсекается ток.

Этот канал обладает высокой плотностью заряда и подвижностью. Ток течет в канале 2DEG, в отличие от Si MOSFET, где каналом для протекания тока является область обеднения между истоком и стоком.

Обратите внимание, что стандартный GaN HEMT обычно "включен", что отличается от обычного MOSFET, который обычно "выключен". Чтобы перевести GaN HEMT в выключенное состояние, которое проще в использовании и предпочтительнее в большинстве схем для удобства и безопасности, необходимо истощить слой 2DEG, что, в свою очередь, приводит к прекращению протекания тока.

В результате GaN-переключатели бывают двух разных типов: с режимом усиления (e-GaN) и с режимом обеднения (d-GaN). Транзистор с режимом обеднения нормально включен и для его выключения необходимо приложить отрицательное напряжение к затвору. Транзистор с улучшенным режимом нормально выключен и включается положительным напряжением, приложенным к затвору.

SiC против GaN

Наиболее существенное различие между GaN и SiC заключается в их электронной подвижности, которая показывает, насколько быстро электроны могут перемещаться через полупроводниковый материал. Стандартный кремний имеет подвижность электронов 1500 см2 на вольт-секунду (см2/вольт-с). Однако у SiC подвижность электронов составляет 650 см2/вольт-с, а у GaN - 2000 см2/вольт-с. Это означает, что электроны SiC движутся медленнее, чем электроны GaN и кремния.

Электроны GaN могут двигаться более чем на 30 % быстрее, чем электроны кремния. Благодаря такой высокой подвижности электронов GaN почти в три раза лучше подходит для высокочастотных приложений.

Кроме того, теплопроводность GaN составляет 1,3 ватт/сантиметр-К (ватт/см-К), что хуже, чем у кремния - 1,5 ватт/см-К. Однако теплопроводность SiC составляет 5 Вт/см-К, что делает его почти в три раза более эффективным при передаче тепловых нагрузок. Эта особенность дает SiC сильное преимущество в мощных и высокотемпературных приложениях.

GaN и SiC удовлетворяют различные потребности рынка в мощности. Устройства SiC обеспечивают напряжение до 1 200 вольт и обладают высокой способностью выдерживать ток. Это делает их подходящими для таких приложений, как тяговые инверторы для автомобилей и локомотивов, мощные солнечные электростанции и крупные трехфазные сетевые преобразователи.

В отличие от них, устройства GaN HEMT обычно рассчитаны на напряжение до 650 вольт и позволяют создавать высокоплотные преобразователи мощностью от 10 киловатт (кВт) и выше. Их применение включает в себя источники питания для потребителей, серверов, телекоммуникаций и промышленности; драйверы серводвигателей; сетевые преобразователи; бортовые зарядные устройства и DC-DC-преобразователи для автомобилей EV.

Несмотря на эти различия, технологии SiC и GaN пересекаются в некоторых областях применения мощностью менее 10 кВт.

Доступные GaN-устройства отличаются высокой производительностью

Хотя разработка устройств на основе GaN потребовала многих лет лабораторных исследований и разработок, а также производственных усилий, устройства на основе GaN уже более десяти лет выпускаются в промышленных масштабах. Два примера - 650-вольтовые GaN HEMT-транзисторы GNP1070TC-Z и GNP1150TCA-Z от ROHM Semiconductor, оптимизированные для широкого спектра применений в системах электропитания (рис. 3). GNP1070TC-Z - это прибор на 20 ампер (A), 56 ватт в режиме усиления с сопротивлением сток-исток (RDS(on)) 70 миллиом (mΩ) и зарядом затвора (Qg) всего 5,5 нанокулонов (nC) (оба показателя типичные). Для GNP1150TCA-Z, устройства мощностью 11 А, 62,5 Вт, соответствующие показатели составляют 150 мОм и 2,7 нК, соответственно.

Рисунок 3: Показана внутренняя схема GaN HEMTGNP1070TC-Z на 20 А, который аналогичен GNP1150TCA-Z на 11 А; оба подходят для ряда приложений, связанных с питанием от 650 вольт.

Эти два компонента были разработаны совместно с Ancora Semiconductors, Inc, филиалом Delta Electronics, Inc, которая занимается разработкой GaN-устройств. Они обеспечивают лучшие на рынке характеристики, способствующие повышению эффективности и уменьшению размеров в широком диапазоне источников питания.

Они размещены в 8-выводных корпусах DFN8080K размером 8 × 8 × 0,7 миллиметра (мм) (рис. 4).

Рисунок 4: Несмотря на более высокие номинальные значения тока и напряжения, GaN-устройства GNP1070TC-Z и GNP1150TCA-Z выполнены в корпусах размером всего 8 мм с каждой стороны.

Заключение

Силовые переключающие устройства WBG на основе GaN HEMT предлагают разработчикам существенные преимущества в производительности по сравнению с традиционными кремниевыми устройствами. Они также имеют явные преимущества перед SiC-устройствами в отношении рабочей частоты и тепловыделения; последнее особенно важно в реальных условиях. Благодаря использованию GaN-компонентов, таких как 20 A/650 вольт GNP1070TC-Z и 11 A/650 вольт GNP1150TCA-Z от ROHMSemiconductor, разработчики могут создавать преобразователи и источники питания, которые в противном случае были бы неосуществимы или имели бы серьезные эксплуатационные ограничения.