Componentele și instrumentele de putere GaN de la ADI alimentează oportunitățile

Semiconductoarele din nitrură de galiu (GaN) au evoluat mult de când au devenit viabile din punct de vedere comercial ca diode emițătoare de lumină (LED) albastre, foarte luminoase, la începutul anilor ’90 și, ulterior, ca tehnologie de bază pentru playerele de discuri optice Blu-ray. Abia după aproape două decenii tehnologia a devenit viabilă din punct de vedere comercial pentru tranzistoarele cu efect de câmp (FET) cu eficiență energetică ridicată.

În prezent, GaN este unul dintre segmentele cu cea mai rapidă creștere din industria semiconductoarelor, cu estimări de creștere anuală totală cuprinsă între 25% și 50%, determinată de cererea de dispozitive cu o eficiență energetică mai mare pentru îndeplinirea obiectivelor de sustenabilitate și electrificare.

Tranzistoarele GaN pot fi utilizate pentru proiectarea dispozitivelor mai mici și mai eficiente decât tranzistoarele de siliciu. Utilizate inițial pentru sistemele amplificatoarelor de microunde de mare putere, economiile de scară în fabricarea GaN și capacitatea de a crea amplificatoare mici și mai puternice au extins utilizarea pentru a crea o piață de dispozitive de miliarde de dolari, ce acoperă aplicații de consum, industriale și militare.

În general, se consideră că MOSFET-urile de siliciu și-au atins limitele teoretice pentru electronica de putere, în timp ce FET-urile GaN încă au un mare potențial pentru progrese suplimentare în ceea ce privește performanța. Semiconductoarele GaN utilizează cel mai frecvent substraturi din carbură de siliciu (SiC), urmat de siliciu, care este mai economic, sau de diamant, care este cel mai performant și mai scump. Dispozitivele GaN funcționează la temperaturi mai ridicate, cu o mobilitate și o viteză a electronilor mai mari decât în cazul dispozitivelor pe bază de siliciu și cu o sarcină de recuperare inversă scăzută sau nulă.

Semiconductoarele de putere GaN au o densitate de putere de aproximativ cinci ori mai mare decât cea a semiconductoarelor pentru amplificatoare de putere din arseniură de galiu (GaAs). Cu o eficiență energetică de 80% sau mai mult, semiconductoarele GaN oferă o putere, o lățime de bandă și o eficiență superioare față de alternative precum GaAs și semiconductoarele metal-oxid cu difuzie laterală (LDMOS). Tehnologia este utilizată în prezent în diverse aplicații, de la adaptoare de alimentare cu încărcare rapidă până la dispozitive de detectare a luminii și de măsurare a distanței (LiDAR) încorporate în sistemele avansate de asistență a șoferului (ADAS) pentru automobile.

Centrele de date reprezintă o altă piață emergentă pentru dispozitivele pe bază de GaN, care pot îndeplini cerințele tot mai mari de consum de energie și de răcire pentru costuri mai mici, precum și pentru a contribui la soluționarea disputelor tot mai mari legate de mediu cu care se confruntă operatorii din ariile de reglementare și politice.

În plus, producătorii de semiconductoare și firmele de cercetare de piață estimează o piață în creștere pentru aplicațiile de joasă și înaltă tensiune în vehiculele electrice, de la baterii mai eficiente la invertoare de tracțiune pentru baterii.

Acesta este un domeniu care, până în prezent, a fost dominat de dispozitivele SiC, care, ca și GaN, sunt clasificate ca semiconductoare cu bandă interzisă largă (WBG) cu mobilitate ridicată a electronilor care „permit componentelor electronice de putere să fie mai mici, mai rapide, mai fiabile și mai eficiente decât cele bazate pe siliciu (Si)”.GaN are o bandă interzisă de 3,4 eV, în comparație cu 2,2 eV pentru SiC și 1,12 eV pentru SI.

Semiconductoarele de putere GaN și SiC funcționează la frecvențe mai mari și au viteze de comutare mai rapide și o rezistență de conducție mai mică decât siliciul. Dispozitivele SiC pot funcționa la tensiuni mai mari, în timp ce dispozitivele GaN asigură o comutare mai rapidă cu o energie mai mică, permițând proiectanților să reducă dimensiunea și greutatea. SiC poate suporta până la 1.200 de volți, în timp ce GaN a fost în general considerat mai adecvat pentru o tensiune de până la 650 de volți, deși recent au fost introduse dispozitive cu tensiune mai mare.

GaN poate furniza o putere în gama de frecvențe de aproximativ 10 ori mai mare decât GaAs și alte semiconductoare (Figura 1).

Figura 1: Comparație între electronica de putere în gama de frecvențe a microundelor. (Sursa: Analog Devices, Inc.)

Considerente privind proiectarea

Se estimează că 70% sau mai mult din energia electrică consumată la nivel mondial este procesată de electronica de putere. Datorită caracteristicilor WBG ale GaN, proiectanții pot crea sisteme electronice de putere mai mici, utilizând o densitate de putere mai mare, eficiență superioară și viteze de comutare ultra-rapide.

Tehnologia permite inovarea în mai multe piețe, inclusiv în domeniul electronicii de putere, al automobilelor, al stocării energiei solare și al centrelor de date, printre altele. Fiind foarte rezistente la radiații, dispozitivele GaN sunt potrivite pentru aplicațiile militare și aerospațiale emergente.

Este posibil ca unii proiectanți din domeniul electronicii să se fi îndepărtat de dispozitivele de putere GaN din cauza unor percepții greșite privind costul materialelor. Deși fabricarea substratului GaN a fost inițial mult mai mare decât cea a substratului Si, această diferență s-a diminuat considerabil, iar utilizarea diferitelor substraturi oferă proiectanților posibilitatea de a găsi cel mai bun compromis între costuri și performanță.

GaN-pe-SiC oferă cel mai mare potențial de piață pentru proiectanți, cu cel mai bun compromis între costuri și performanță. Totuși, cu opțiunile GaN-pe-Si și GaN-pe-diamant, proiectanții de produse pot alege cel mai potrivit substrat pentru a îndeplini cerințele organizațiilor și clienților privind prețul/performanța.

Din cauza ratelor de comutare foarte mari ale GaN, proiectanții trebuie să acorde atenție deosebită interferențelor electromagnetice (EMI) și modului în care acestea pot fi atenuate în configurația buclei de alimentare. Driverele active de poartă, care sunt esențiale pentru prevenirea supratensiunii, pot reduce interferențele electromagnetice cauzate de formele de undă generate în timpul comutării.

O altă problemă cheie de proiectare este inductanța și capacitatea parazită care pot duce la declanșări false. Maximizarea avantajelor de performanță depinde de dispunerea optimă a buclelor de alimentare laterale și verticale și de adaptarea vitezei driverului la viteza dispozitivului.

De asemenea, proiectanții trebuie să optimizeze managementul termic pentru a preveni încălzirea excesivă care poate compromite performanța și fiabilitatea. Capsularea trebuie evaluată în funcție de capacitatea sa de a reduce inductanțele și de a disipa căldura.

Analog Devices oferă amplificatoare de putere GaN

Sistemele electronice necesită o conversie între tensiunea sursei de energie și tensiunea circuitelor care trebuie alimentate. Compania de semiconductoare Analog Devices, Inc. (ADI), lider de lungă durată în domeniul semiconductoarelor, își propune să ofere performanțe de vârf în domeniul amplificatoarelor de putere GaN, precum și asistență, permițând proiectanților să atingă obiectivele de performanță maximă și să își lanseze mai rapid soluțiile pe piață.

Driverele de poartă și controlerele coborâtoare (sau buck) sunt esențiale pentru a maximiza beneficiile dispozitivelor de alimentare GaN. Driverele GaN cu jumătate de punte îmbunătățesc performanța de comutare și eficiența generală a sistemelor de alimentare. Convertoarele coborâtoare de la c.c. la c.c. convertesc o tensiune de intrare mai mare într-o tensiune de ieșire mai mică.

ADI oferă LT8418, un driver GaN cu jumătate de punte de 100 V care integrează etaje de driver superioare și inferioare, control logic al driverului, protecții și un comutator bootstrap (Figura 2). Acesta poate fi configurat în topologii sincrone de coborâre cu jumătate de punte, sau de ridicare. Driverele de poartă divizată reglează vitezele de salt pentru pornirea și oprirea FET-urilor GaN pentru a optimiza performanța EMI.

Figura 2: Schema convertorului c.c./c.c. de comutare pe bază de GAN LT8418 de la ADI. (Sursa: Analog Devices, Inc.)

Intrările și ieșirile driverului GaN de la ADI au o stare joasă implicită pentru a preveni pornirea falsă a FET-urilor GaN. Cu o întârziere de propagare rapidă de 10 ns, pe lângă o adaptare a întârzierilor de 1,5 ns între canalele superioare și inferioare, LT8418 este potrivit pentru convertoare c.c./c.c. de înaltă frecvență, drivere de motoare, amplificatoare audio de clasa D, surse de alimentare pentru centre de date și o gamă largă de aplicații de alimentare pe piețele de consum, industriale și auto.

LTC7890 și LTC7891 (Figura 3) sunt controlere de înaltă performanță, duble și, respectiv, simple, cu regulator coborâtor în comutație c.c. - c.c. pentru comanda etajelor de putere GaN FET sincrone cu canal N de la tensiuni de intrare de până la 100 V. Destinate să abordeze multe dintre provocările cu care se confruntă proiectanții care utilizează FET-uri GaN, aceste controlere simplifică proiectarea aplicației prin faptul că nu necesită diode de protecție sau alte componente externe suplimentare utilizate de obicei în soluțiile MOSFET din siliciu.

Figura 3: Controlerul coborâtor LTC7891 de la ADI. (Sursa: Analog Devices, Inc.)

Fiecare controler oferă proiectanților posibilitatea de a regla cu precizie tensiunea de comandă a porții de la 4 V la 5,5 V pentru a optimiza performanța și a permite utilizarea diferitelor FET-uri GaN și MOSFET-uri de nivel logic. Comutatoarele inteligente bootstrap interne previn supraîncărcarea pinului BOOSTx la sursele de alimentare ale driverului high-side cu pin SWx în timpul perioadelor moarte, protejând poarta FET-ului GaN de sus.

Ambele componente optimizează intern sincronizarea driverului de poartă pe ambele fronturi de comutare pentru timpi morți aproape de zero, îmbunătățind eficiența și permițând funcționarea la frecvențe înalte. În plus, proiectanții pot ajusta timpii morți cu rezistoare externe. Dispozitivele sunt disponibile cu flancuri umectabile pe lateral în capsule de tip quad flat no-lead (QFN). Schemele ilustrează circuite de aplicații tipice cu configurațiile LTC7890 cu 40 de conductoare, de 6 mm x 6 mm (Figura 4) și LTC7891 cu 28 de conductoare, de 4 mm x 5 mm (Figura 5).

Figura 4: Schema unui circuit tipic de aplicație cu LTC7890 de la ADI. (Sursa: Analog Devices, Inc.)

Figura 5: Schema unui regulator coborâtor care utilizează LTC7891 cu 28 de conductoare de la ADI. (Sursa: Analog Devices, Inc.)

De asemenea, proiectanții pot utiliza portofoliul de instrumente de gestionare a energiei ADI pentru a atinge obiectivele de performanță a sursei de alimentare și pentru a optimiza plăcile. Setul de instrumente include un calculator de rezistoare variabile de coborâre, un configurator de putere a lanțului de semnal și un mediu de dezvoltare bazat pe Windows.

Concluzie

GaN este un material semiconductor transformator utilizat pentru a produce componente cu densitate mare de putere, viteze de comutare ultra-rapide și eficiență energetică superioară. Proiectanții de produse pot folosi produsele pentru drivere de poartă FET GaN de la ADI pentru a crea sisteme mai fiabile și mai eficiente cu mai puține componente, ceea ce duce la sisteme mai mici, cu amprente și greutate reduse.