Bij DigiKey verkrijgbare GaN-producten en -hulpmiddelen

Ik zie steeds vaker GaN-gerelateerde technische content voorbijkomen in mijn postvak en de mediastreams die ik volg. In die content gaat het vaak over de voedingsefficiëntie en het kleine formaat van GaN in vergelijking met conventioneel silicium. GaN wordt steeds vaker gebruikt voor voedingsontwerpen, van draadloos laden tot telecominfrastructuur, dus het leek me zinvol om wat achtergrondinformatie te bieden en een overzicht te geven van enkele GaN-producten en -hulpmiddelen die bij DigiKey verkrijgbaar zijn.

Wat is GaN?

Galliumnitride (GaN) is een halfgeleidermateriaal met een brede bandkloof dat een hoge elektronenmobiliteit biedt. Op transistorniveau maakt GaN hogere stroomsterktes en schakelsnelheden mogelijk bij kleinere fysieke afmetingen dan conventionele silicium transistors. Er zijn ook 'enhancement mode GaN' (e-GaN)- en 'cascode depletion mode GaN' (cascode d-GaN)-schakelarchitecturen beschikbaar.

(Afbeelding: Texas Instruments)

De e-GaN-schakelaar is een normaal uitgeschakelde GaN HEMT (High-Electron Mobility Transistor) die werkt als een normale MOSFET, maar extra aandacht vereist bij het ontwerpen van het gate driver-circuit. Het gebruik van gate drivers die speciaal zijn ontworpen voor het schakelen van e-GaN HEMT's wordt aanbevolen. De cascode depletion mode GaN-schakelaar maakt gebruik van een normaal ingeschakelde depletion mode GaN HEMT die in serie is geplaatst met een silicium MOSFET in een cascodestructuur. De silicium MOSFET regelt het in- en uitschakelen van de GaN HEMT in de cascodeschakelaar, zodat standaard MOSFET gate drivers kunnen worden gebruikt. Er zijn ook onderdelen verkrijgbaar waarbij een GaN HEMT en gerelateerde GaN gate driver-circuits zijn geïntegreerd.

(Afbeelding: Infineon)

GaN-toepassingen

Het gebruik van GaN in voedingstoepassingen is aanzienlijk toegenomen doordat meer leveranciers dergelijke producten op de markt brengen. Voordelen van GaN ten opzichte van silicium zijn o.a. hogere schakelfrequenties, lagere verliezen en kleinere fysieke afmetingen. Dit biedt technici meer vrijheid bij het ontwerpen van ruimtebesparende of hoogefficiënte voedingscircuits. Vooral toepassingen die een hoge efficiëntie vereisen of waarbij de fysieke ruimte beperkt is, zijn gebaat bij het gebruik van GaN. Veelvoorkomende toepassingen zijn servers, telecomapparatuur, adapters/laders, draadloos laden en Klasse D audio.

GaN-producten

Bij DigiKey zijn GaN FET's, drivers en geïntegreerde GaN-apparaten verkrijgbaar. Fabrikanten zijn o.a. EPC, Infineon, Navitas, Texas Instruments en transphorm.

EPC

(Afbeelding: EPC)

Sinds zijn marktintrede met enhancement-mode GaN (eGaN®)-transistors in 2009 heeft EPC een breed scala aan GaN FET's en geïntegreerde GaN-apparaten ontwikkeld. FET's zijn verkrijgbaar als enkele transistors en als arrays. Enkele transistors zijn verkrijgbaar met Vdss-waarden tot 200 V en continu I_D tot 90 A (TA = 25 ˚C). Transistorarrays zijn verkrijgbaar in de configuraties dubbel, gemeenschappelijke bron, halve brug en halve brug + synchroon bootstrap. Aanbevolen gate drivers worden vermeld in How2AppNote 005 van EPC. Voorbeelden van geïntegreerde GaN-apparaten zijn de EPC2112 en EPC2115. De EPC2112 biedt een 200 V GaN-voedingstransistor en geoptimaliseerde gate driver in een pakketje van 2,9 x 1,1 mm. De EPC2115 biedt twee monolithische 150 V GaN-voedingstransistors, elk met een geoptimaliseerde gate driver, in een pakketje van 2,9 x 1,1 mm.

De apparaten van EPC worden geleverd in behuizingen op chipformaat, en GaN-transistors zijn veel kleiner dan hun silicium tegenhangers. Deze combinatie resulteert in aanzienlijk kleinere apparaten die veel minder ruimte innemen op printplaten en bovendien voordeliger zijn. De kleinere voetafdruk en hogere prestaties van GaN maken ontwerpen mogelijk die niet haalbaar zijn met grotere silicium onderdelen. Er zijn evaluatie- en demonstratieprintplaten verkrijgbaar voor de FET's en IC's van EPC. De printplaten worden compleet geleverd met toegang tot snelstartgidsen, schema's, BOM's en Gerber-bestanden.

Infineon

Infineon biedt op halfgeleiders gebaseerde voedingsapparaten van silicium (Si), siliciumcarbide (SiC) en galliumnitride (GaN). Op GaN-basis biedt Infineon 600 V CoolGaN™ enhancement-mode (normaal uitgeschakelde) GaN-voedingstransistors en EiceDRIVER™ eenkanaals geïsoleerde gate driver-IC's voor GaN-schakelaars voor hoogspanningstoepassingen. De 1EDF5673K, 1EDF5673F en 1EDS5663H EiceDRIVER™ gate driver-IC's zijn uitstekend combineerbaar met de CoolGaN™ vermogens-FET's. Belangrijke voordelen van de GaN EiceDRIVER™-serie zijn o.a. positieve en negatieve gate driver-stromen, behoud van een gate-spanning van nul tijdens de uitgeschakelde fase en geïntegreerde galvanische isolatie.

(Afbeelding: Infineon)

De EVAL1EDFG1HBGANTOBO1 halfbrug-evaluatieprintplaat maakt snel en eenvoudig opzetten en testen van CoolGaN™-transistors in combinatie met de speciale GaN EiceDRIVER™ geïsoleerde gate driver-IC mogelijk. De EVAL2500WPFCGANATOBO1 is een 2500 W volbrug totempaal evaluatieprintplaat met vermogensfactorcorrectie die gebruikmaakt van CoolGaN™ FET's en EiceDRIVER™ GaN driver-IC's.

Navitas

Navitas biedt GaN voeding-IC's. De IC's zijn monolithische GaN-chips waarin een GaN voedings-FET, gate driver en logica zijn geïntegreerd. Opname van het volledige circuit in één enkele matrijs biedt aanzienlijke voordelen wat betreft grootte, schakelsnelheid, efficiëntie en integratiegemak. De NV6113, NV6115 en NV6117 zijn apparaten met één schakelaar die kunnen worden gebruikt in topologieën zoals buck, boost, halve brug en volledige brug. De NVE031E is een voedingsdemonstratieprintplaat die gebruikmaakt van de NV6115.

Texas Instruments

Texas Instruments biedt zowel GaN-drivers als apparaten met geïntegreerde GaN-voedingstrappen. De drivers bieden ontwerpers meer vrijheid bij de keuze van GaN uitgangs-FET's, zodat aan specifieke vereisten kan worden voldaan. De apparaten met geïntegreerde voedingstrappen minimaliseren parasitaire inductantie voor verbeterde schakelprestaties en besparen ruimte op de printplaat.

Voorbeelden van de GaN-drivers van TI zijn de LMG1205, LMG1210, LMG1020 en LM5113-Q1. De LMG1205 is ontworpen voor aansturing van high-side en low-side enhancement mode GaN FET's in een synchrone buck-, boost- of halbrugconfiguratie. De LMG1210 heeft dezelfde functies als de LMG1205 maar biedt superieure schakelprestaties, configuratie van dode tijd door middel van een weerstand en een interne LDO voor een breder VDD-bereik. Voorbeelden van evaluatieprintplaten met de LMG12xx zijn de LMG1205HBEVM en LMG1210EVM-012. De LMG1020 is een enkelvoudige low-side driver voor de aansturing van GaN FET's en MOSFET's op logisch niveau in hogesnelheidstoepassingen. De bijbehorende evaluatieprintplaat is de LMG1020EVM-006. De LM5113-Q1 voldoet aan de AEC-Q100-norm en is ontworpen voor de aansturing van high-side en low-side enhancement mode GaN FET's of silicium MOSFET's in een synchrone buck-, boost- of halfbrugconfiguratie voor voertuigtoepassingen. De bijbehorende evaluatieprintplaat is de LM5113LLPEVB.

(Afbeelding: Texas Instruments)

Voorbeelden van de apparaten met geïntegreerde voedingstrappen van TI zijn de LMG3411 en LM5200. De LMG3411 is voorzien van een 600 V GaN FET, driver en beveiligingscircuits. De bijbehorende evaluatieprintplaat is de LMG3411EVM-029. De LMG5200 is voorzien van twee 80 V GaN FET's die worden aangestuurd door één hoogfrequente GaN FET-driver in een halfbrugconfiguratie. Voorbeelden van de evaluatieprintplaten voor dit product zijn de LMG5200EVM-02 en BOOSTXL-3PHGANINV.

transphorm

Transphorm ten slotte biedt GaN-voedingsschakelaars op basis van een normaal uitgeschakelde silicium MOSFET voor lage spanning en een normaal ingeschakelde GaN HEMT voor hoge spanning in een cascodeconfiguratie.

(Afbeelding: transphorm)

De GaN-apparaten van transphorm werken als ultrasnelle FET's met interne diodes met lage lading. De prestatievoordelen ten opzichte van conventioneel silicium zijn een lage herstellading en korte hersteltijd. De schakelaars bieden extreem snelle stijging met stijgtijden van <10 ns. Er zijn apparaten voor 650 V en 900 V verkrijgbaar. Er zijn ook meerdere evaluatieprintplaten verkrijgbaar, inclusief AC/DC- en DC/AC-omvormers.

Aanvullend documentatiemateriaal:

1 – De referentieontwerpbibliotheek van DigiKey bevat diverse op GaNgebaseerde referentieontwerpen.