GaN-vermogenscomponenten en -tools van ADI bieden meer ontwerpmogelijkheden

Halfgeleiders van galliumnitride (GaN) zijn een heel eind gekomen sinds ze aan het begin van de jaren negentig voor het eerst commercieel rendabel werden als zeer heldere, blauwe lichtemitterende diodes (leds) en later als basistechnologie voor Blu-rayspelers. Het zou bijna twee decennia duren voordat de technologie commercieel haalbaar was voor veldeffecttransistors (FET’s) met een hoge energie-efficiëntie.

GaN vertegenwoordigt nu een van de snelst groeiende segmenten van de halfgeleiderindustrie, met samengestelde jaarlijkse groeischattingen van 25% tot 50%, gedreven door de vraag naar apparaten met een grotere energie-efficiëntie om te voldoen aan duurzaamheids- en elektrificatiedoelen.

GaN-transistors kunnen worden gebruikt om kleinere, efficiëntere apparaten te ontwerpen dan siliciumtransistors. Aanvankelijk werd GaN gebruikt voor high-power microgolfversterkersystemen, maar de schaalvoordelen in GaN-fabricage en de mogelijkheid om kleine, krachtigere versterkers te maken, hebben het gebruik uitgebreid en een miljardenmarkt gecreëerd voor consumentenelektronica en industriële en militaire toepassingen.

Vaak wordt aangenomen dat silicium-MOSFET’s hun theoretische grenzen voor vermogenselektronica hebben bereikt, terwijl GaN-FET’s nog steeds een groot potentieel hebben voor verdere prestatieverbeteringen. GaN-halfgeleiders gebruiken meestal substraten van siliciumcarbide (SiC), gevolgd door silicium, dat economischer is, of diamant, dat het best presteert en het duurst is. GaN-componenten werken bij hogere temperaturen met een hogere elektronenmobiliteit en -snelheid dan componenten op basis van silicium en met een lage of geen omgekeerde terugwinningslading.

GaN-vermogenshalfgeleiders hebben ongeveer vijf keer de vermogensdichtheid van vermogenversterkerhalfgeleiders met galliumarsenide (GaAs). Met een vermogensefficiëntie van 80% of meer bieden GaN-halfgeleiders superieure kracht, bandbreedte en efficiëntie ten opzichte van alternatieven zoals GaAs en lateraal gediffundeerde metaaloxidehalfgeleiders (LDMOS). De technologie wordt nu gebruikt in diverse toepassingen, van snellaad-adapters tot LiDAR-apparaten (Light Detection and Ranging) die zijn ingebouwd in ADAS-systemen (Advanced Driver Assistance Systems) voor auto’s.

Datacenters vormen een andere opkomende markt voor GaN-gebaseerde componenten die kunnen voldoen aan het toenemende stroomverbruik en de koelingsvereisten voor lagere kosten, en die kunnen helpen bij het aanpakken van de groeiende milieugeschillen waarmee exploitanten in regelgevende en politieke arena’s worden geconfronteerd.

Halfgeleiderfabrikanten en marktonderzoeksbureaus voorspellen ook een groeiende markt voor laag- en hoogvoltagetoepassingen in elektrische voertuigen, van efficiëntere batterijen tot tractieomvormers.

Dat is een gebied dat tot nu toe werd gedomineerd door SiC-componenten, die net als GaN worden geclassificeerd als WBG-halfgeleiders (wide bandgap) met een hoge elektronenmobiliteit die “het mogelijk maken om vermogenselektronische componenten kleiner, sneller, betrouwbaarder en efficiënter te maken dan hun tegenhangers op basis van silicium (Si)”.GaN heeft een bandkloof van 3,4 eV, vergeleken met 2,2 eV voor SiC en 1,12 eV voor Si.

Vermogenshalfgeleiders van GaN en SiC werken bij hogere frequenties en hebben hogere schakelsnelheden en een lagere geleidingsweerstand dan silicium. SiC-componenten werken bij hogere spanningen, terwijl GaN-componenten sneller schakelen met minder energie, waardoor ontwerpers de afmetingen en het gewicht kunnen beperken. SiC kan tot 1200 volt ondersteunen, terwijl GaN over het algemeen meer geschikt wordt geacht voor maximaal 650 volt, hoewel er recentelijk componenten met een hoger voltage zijn geïntroduceerd.

GaN kan ongeveer 10 keer meer vermogen leveren in het frequentiebereik dan GaAs en andere halfgeleiders (afbeelding 1).

Afbeelding 1: Vergelijking van vermogenselektronica voor het microgolffrequentiebereik. (Bron: Analog Devices, Inc.)

Ontwerpoverwegingen

Naar schatting wordt 70% of meer van de elektrische energie die wereldwijd wordt verbruikt, verwerkt door vermogenselektronica. Met de WBG-eigenschappen van GaN kunnen ontwerpers kleinere vermogenselektronische systemen maken met een hogere vermogensdichtheid, superieure efficiëntie en ultrasnelle schakelsnelheden.

De technologie maakt innovatie mogelijk in meerdere markten, waaronder vermogenselektronica, auto’s, opslag van zonne-energie en datacenters. GaN-componenten zijn zeer goed bestand tegen straling en daarom zeer geschikt voor de nieuwste militaire en ruimtevaarttoepassingen.

Sommige elektronische ontwerpers hebben wellicht afgezien van GaN-vermogenscomponenten vanwege misvattingen over de materiaalkosten. Hoewel de fabricage van GaN-substraten aanvankelijk veel duurder was dan die van Si is dat verschil aanzienlijk kleiner geworden en biedt het gebruik van verschillende substraten ontwerpers de mogelijkheid om de beste afweging te maken tussen kosten en prestaties.

GaN-op-SiC biedt het breedste marktpotentieel voor ontwerpers met de beste afweging tussen kosten en prestaties. Met de opties van GaN-op-Si en GaN-op-diamant kunnen productontwerpers echter het meest geschikte substraat kiezen om te voldoen aan de prijs-/prestatiebehoeften van hun organisaties en klanten.

Vanwege de zeer hoge schakelsnelheden van GaN moeten ontwerpers speciale aandacht besteden aan elektromagnetische interferentie (EMI) en hoe deze kan worden beperkt in de lay-out van de vermogenslus. Actieve gate drivers, die essentieel zijn voor het voorkomen van spanningsoverschrijdingen, kunnen EMI van schakelgolfvormen verminderen.

Een ander belangrijk ontwerpprobleem is de parasitaire inductie en capaciteit die kunnen leiden tot valse activering. Het maximaliseren van de prestatievoordelen hangt af van de optimale lay-out van de laterale en verticale vermogenslussen en het afstemmen van de snelheid van de driver op de snelheid van het component.

Ontwerpers moeten ook het thermisch beheer optimaliseren om overmatige verhitting te voorkomen die de prestaties en betrouwbaarheid in gevaar kan brengen. De verpakking moet worden geëvalueerd op het vermogen om inductie te verminderen en warmte af te voeren.

Analog Devices levert GaN-vermogenversterkers

Elektronische systemen vereisen conversie tussen de spanning van de energievoorziening en de spanning van de schakelingen die gevoed moeten worden. Analog Devices, Inc. (ADI) is al jarenlang een toonaangevend halfgeleiderbedrijf en streeft ernaar toonaangevende GaN-vermogensversterkerprestaties te leveren in combinatie met ondersteuning, zodat ontwerpers topprestaties kunnen bereiken en hun oplossingen sneller op de markt kunnen brengen.

Gate drivers en step-down regelaars (of buck-regelaars) zijn essentieel voor het maximaliseren van de voordelen van GaN-vermogenscomponenten. Halve brug GaN-drivers verbeteren de schakelprestaties en de algehele efficiëntie van vermogensystemen. DC-naar-DC step-downomvormers zetten een hogere ingangsspanning om in een lagere uitgangsspanning.

ADI biedt de LT8418, een 100 V halve brug GaN-driver die boven- en onderste drivertrappen, driverlogicabesturing, beveiligingen en een bootstrapschakelaar integreert (afbeelding 2). De driver kan worden geconfigureerd in synchrone halve brug buck- of boost-topologieën. Split gate drivers passen in- en uitschakelsnelheden van GaN-FET’s aan om de EMI-prestaties te optimaliseren.

Afbeelding 2: Schema van de LT8418 GaN-gebaseerde schakelende DC/DC-converter van ADI. (Bron: Analog Devices, Inc.)

De ingangen en uitgangen van de GaN-driver van ADI hebben een standaard ‘low state’ om vals inschakelen van GaN-FET’s te voorkomen. Met een snelle propagatievertraging van 10 ns, samen met een delay matching van 1,5 ns tussen het bovenste en onderste kanaal, is de LT8418 geschikt voor hoogfrequente DC/DC-converters, motordrivers, klasse-D audioversterkers, datacentervoedingen en een breed scala aan vermogenstoepassingen in consumenten-, industriële en automobielmarkten.

De LTC7890 en LTC7891 (afbeelding 3) zijn krachtige, respectievelijk dubbele en enkele step-down DC-naar-DC schakelende regelaars voor het aansturen van N-kanaals synchrone GaN-FET-vermogenstrappen vanaf ingangsspanningen tot 100 V. Deze regelaars zijn bedoeld om veel van de uitdagingen aan te pakken waarmee ontwerpers worden geconfronteerd bij het gebruik van GaN-FET’s en vereenvoudigen het ontwerp van toepassingen doordat er geen beschermingsdiodes of andere extra externe componenten nodig zijn die gewoonlijk worden gebruikt in silicium-MOSFET-oplossingen.

Afbeelding 3: LTC7891 step-downregelaar van ADI. (Bron: Analog Devices, Inc.)

Elke regelaar biedt ontwerpers de mogelijkheid om de spanning van de gate driver nauwkeurig aan te passen van 4 V tot 5,5 V om de prestaties te optimaliseren en het gebruik van verschillende GaN-FET’s en MOSFET’s op logisch niveau mogelijk te maken. Interne slimme bootstrapschakelaars voorkomen overladen van de BOOSTx-pin naar de SWx-pin high-side drivervoedingen tijdens dode tijden, waardoor de gate van de bovenste GaN-FET wordt beschermd.

Beide componenten optimaliseren intern de timing van de gate driver aan beide schakelkanten voor dode tijden die bijna nul zijn, wat de efficiëntie verbetert en een hoogfrequente werking mogelijk maakt. Ontwerpers kunnen dode tijden ook aanpassen met externe weerstanden. De componenten zijn verkrijgbaar met zijwaarts bevochtigbare flanken in quad flat no-lead (QFN) pakketten. Schema’s van typische toepassingsschakelingen met de 40-lead LTC7890 van 6 mm x 6 mm (afbeelding 4) en de 28-lead LTC7891 van 4 mm x 5 mm (afbeelding 5).

Afbeelding 4: Schema van een typische toepassingsschakeling met de LTC7890 van ADI. (Bron: Analog Devices, Inc.)

Afbeelding 5: Schema van een step-downregelaar met de 28-lead LTC7891 van ADI. (Bron: Analog Devices, Inc.)

Ontwerpers kunnen ook profiteren van een portfolio van ADI-tools voor vermogensbeheer om prestatiedoelen voor de voeding te bereiken en printplaten te optimaliseren. De tool-set bevat een variabele buckweerstand-calculator, signaalketen vermogensconfigurator en een op Windows gebaseerde ontwikkelomgeving.

Conclusie

GaN is een transformatief halfgeleidermateriaal dat wordt gebruikt om componenten te produceren met een hoge vermogensdichtheid, ultrasnelle schakelsnelheden en een superieure energie-efficiëntie. Productontwerpers kunnen de GaN-FET gate driver-producten van ADI gebruiken om betrouwbaardere en efficiëntere systemen te maken met minder componenten, wat resulteert in kleinere systemen met een kleinere voetafdruk en minder gewicht.