Jeszcze niedawno uznawano, że technologia azotku galu (GaN) nadaje się tylko do konkretnych zastosowań w produktach radiowych, mikrofalowych i na innych specjalistycznych rynkach. Pierwsze i wciąż największe komercyjne zastosowanie GaN związane z przełączaniem zasilania to kompaktowe ładowarki do telefonów komórkowych, gdzie pojawienie się standardu USB-PD i presja rynkowa na eleganckie akcesoria stworzyły zapotrzebowanie na większą gęstość mocy. Można powiedzieć, że przemysł GaN „dorastał” wraz z tym rynkiem, ucząc się, jak dostarczać duże ilości części. Jednak obecnie branża GaN przechodzi kolejne zmiany wraz z pojawieniem się szerokiej gamy urządzeń GaN, zarówno wysokonapięciowych, jak i niskonapięciowych, a ostatnio poprzez dodanie zintegrowanych rozwiązań oraz dyskretnych tranzystorów o wysokiej ruchliwości elektronów (HEMT).
Sądzę, że warto jest poświęcić chociaż akapit na podkreślenie, o co to całe zamieszanie. Najprościej mówiąc, GaN oferuje wyższą moc, wyższą gęstość mocy i wyższą wydajność przy niemal zerowych stratach łączeniowych. Wynika to głównie z dwóch czynników. Po pierwsze, przyjęty w branży wzorzec, współczynnik dobroci (Figure of Merit), Ron Qg, jest 10 razy lepszy niż dla krzemu. Oznacza to, że systemy mogą przełączać się z większą częstotliwością bez utraty wydajności. Daje to projektantom swobodę stosowania mniejszych elementów pasywnych, co w rezultacie może obniżyć całkowity koszt materiałów (więcej na ten temat później). Wysoka wydajność oznacza również, że wytwarzane jest mniej ciepła, dzięki czemu rozwiązania w zakresie zarządzania temperaturą, takie jak radiatory i wentylatory, można wyeliminować lub zmniejszyć ich rozmiar. Drugim aspektem GaN jest to, że nie ma on wewnętrznej diody, a zatem odwrócony prąd odzyskiwania wynosi zero. Umożliwia to projektantom wybór prostszych topologii konwersji mocy. Przykładowo zamiast bardziej złożonego, większego pod względem liczby komponentów, bezmostkowego obwodu korekcji współczynnika mocy (PFC) z topologią dual boost, który byłby niezbędny do utrzymania wysokiej wydajności, gdyby projekt był ograniczony do użycia nawet najlepszych silikonowych tranzystorów MOSFET, mogłaby zostać zastosowana konstrukcja PFC o bezmostkowej topologii totem pole.
Aby technologia GaN mogła odnieść sukces w szerokim zakresie zastosowań, przemysł potrzebuje odpowiednio szerokiej gamy urządzeń GaN. Innoscience, największy na świecie producent zintegrowanych urządzeń (Integrated Device Manufacturer – IDM) w 8-calowej technologii GaN-on-Si (azotek galu na podłożu z krzemu), oferuje obecnie bardzo szeroką gamę urządzeń zasilających GaN, obejmujących zastosowania nisko-, średnio- i wysokonapięciowe, z częściami niskonapięciowymi o napięciu od 30 do 150 V i rezystancjach ON na poziomie nawet 1,2 mΩ. Urządzenia wysokonapięciowe są dostępne do 700 V przy wartościach RDS(on) od 30 do 600 mΩ. Te tranzystory polowe GaN (FET) są również dostępne w różnych obudowach, w tym na poziomie płytek CSP do flip chip QFN z chłodzeniem od góry lub dołu DFN, TO- itp. Oferta obejmuje wiele standardowych wersji obudów, dzięki czemu projektanci znający te obudowy ze stosowania urządzeń na bazie krzemu, mogą łatwo przejść na GaN. Niedawno wprowadziliśmy jednokanałowy sterownik bramkowy zoptymalizowany pod kątem rozwiązań GaN.
Na rysunku 1 przedstawiono przykład tego, co można osiągnąć poprzez połączenie niskonapięciowych i wysokonapięciowych urządzeń GaN w zasilaczu (PSU). W tym przykładzie przedstawiono zasilacz o mocy 4,2 kilowata wykorzystujący wysokonapięciową część GaN 700 V po stronie pierwotnej w połączeniu z urządzeniem GaN 150 V po stronie wtórnej. Rysunek przedstawia projekt typologii totem pole PFC plus LLC z wykorzystaniem przełączników zasilania wysokiego napięcia GaN 30 mΩ RDS(on) i 70 mΩ RDS(on) w obudowie TOLL po stronie pierwotnej; natomiast po stronie drugorzędnej cztery pary elementów niskonapięciowych 3,2 mΩ RDS(on) w obudowie typu flip chip QFN. Wynikiem tego jest zasilacz o mocy 4,2 kW, którego wymiary to zaledwie 185 × 69 × 37 mm, osiągający zdumiewającą gęstość mocy 130 W na cal sześcienny. Z łatwością spełnia on wymagania certyfikatu 80 Plus Titanium pod względem wydajności, osiągając szczytową wartość 97,5%. Równorzędny zasilacz wykonany przy zastosowaniu krzemu może być nawet dwukrotnie większy.
Rysunek 2 przedstawia inne zastosowanie, w którym doskonale sprawdzi się technologia GaN. W przypadku szynoprzewodu o mocy 150 W sterownik diod LED na bazie krzemu jest albo zbyt długi, albo zbyt gruby. W technologii GaN do dyspozycji mamy rozwiązanie 200 kHz PFC plus LLC o wymiarach 15 × 15 × 200 mm idealnie pasujące do oprawy. Ponadto rozwiązanie Innoscience jest o 4% wydajniejsze, co pozwala zaoszczędzić 6 W na szynę.
Dodatkowo na dole rysunku 2 przedstawiono bezpośrednie porównanie rozwiązania 200 W z technologią GaN z rozwiązaniem 120 W na bazie krzemu, które pokazuje, że rozwiązanie GaN jest o 37% krótsze i o 57% cieńsze od rozwiązania na bazie krzemu.
Istnieje wiele innych przykładów (rysunek 3): telewizor o mocy 300 W, w którym masywny zasilacz zepsułby profil smukłego urządzenia, zasilanego obecnie rozwiązaniem na bazie GaN o wymiarach 220 × 180 × 8,5 mm; przetwornica DC/DC 1000 W, która jest o 70% mniejsza i wydajniejsza niż jednostka 600 W na bazie krzemu; wszechobecne konstrukcje ładowarek 20–240 W; i wiele innych, w tym falowniki, napędy silnikowe, czy instalacje fotowoltaiczne itp.
Dotychczas analizowaliśmy jedynie dyskretne rozwiązania GaN, które są preferowane przez wielu inżynierów ze względu na ich elastyczność konstrukcyjną. Korzystanie z GaN wymaga jednak pewnego poziomu wiedzy i kompetencji w projektowaniu – co jest łatwo dostępne – jak również sterownika GaN, obwodu zabezpieczającego i innych elementów, takich jak rezystor detekcyjny do odczytu prądu (Rysunek 4).
Choć jest to doskonale funkcjonujące rozwiązanie dla wielu zastosowań, Innoscience wprowadza szereg zintegrowanych rozwiązań dla projektantów, którzy mówią, że chcą po prostu korzystać z GaN i czerpać z tego korzyści najprościej jak się da. Urządzenia SolidGaN łączą tranzystor mocy, sterownik, czujnik prądu i inne funkcje w jednej, standardowej w branży, obudowie QFN o wymiarach 6 × 8 mm. Urządzenia 700 V ISG610x obejmują zakres od 140 do 450 mΩ i pozwalają zaoszczędzić przestrzeń PCB i liczbę komponentów, zwiększając jednocześnie wydajność i upraszczając konstrukcję dla zastosowań obejmujących ładowarki USB-PD, oświetlenia LED, zasilacze AC/DC i DC/DC oraz obwody PFC, QR flyback, ACF, obwody z półmostkiem i pełnym mostkiem. Zintegrowane urządzenia posiadają szeroki zakres 9–80 V VCC, co jest korzystne w zastosowaniach USB-PD wymagających wyjścia do 28 V.
W przypadku pracy przy niskim poborze mocy układy scalone z rodziny ISG610x charakteryzują się również niskim prądem spoczynkowym 115 μA, dzięki innowacyjnemu automatycznemu trybowi czuwania, który jest uruchamiany, gdy napięcie sygnału PWM utrzymuje się przez określony czas poniżej VPWM_LO. W tym czasie większość obwodów wewnętrznych jest wyłączona, co znacznie ogranicza marnotrawstwo energii, umożliwiając urządzeniom spełnienie specyfikacji jednostek regulacyjnych, takich jak ENERGYSTAR, dotyczących braku lub niskiego obciążenia.
Bezstratne wykrywanie prądu z dokładnością do 7% nowych urządzeń SolidGaN oferuje szereg korzyści. Po pierwsze, ze względu na wyeliminowanie strat rezystora wykrywania prądu, większa rezystancja RDS(on) może zostać zastosowana bez utraty wydajności, co prowadzi do obniżenia kosztów. Po drugie, liczba komponentów zostaje zmniejszona, a przestrzeń zajmowana przez PCB zminimalizowana. Urządzenia posiadają również programowalną szybkość narastania włączania przełącznika w celu zminimalizowania zakłóceń elektromagnetycznych. Wewnętrzny liniowy regulator napięcia zapewnia zasilanie 6,5 V, maksymalizując wydajność energetyczną przy jednoczesnym zapewnieniu niezawodności tranzystorów GaN HEMT. Ponadto w układ scalony wbudowane są zabezpieczenie przed blokadą podnapięciową (UVLO), zabezpieczenie nadprądowe (OCP) i zabezpieczenie przed nadmierną temperaturą (OTP).
Cena i niezawodność
Przy tak znaczących korzyściach i szerokiej dostępności w ramach coraz większej gamy urządzeń dopasowywanych do nowych zastosowań, można by zastanowić się, dlaczego jakikolwiek zespół projektowy miałby nie zdecydować się na przejście na technologię GaN. Odpowiedź jest prosta, ale opiera się na przestarzałych błędnych przekonaniach dotyczących ceny i niezawodności.
Rysunek 6, na podstawie publicznie dostępnych danych, pokazuje, że HEMT InnoGaN Innoscience są obecnie konkurencyjne cenowo względem krzemu. Ponadto GaN oferuje możliwość zaoszczędzenia dalszych kosztów na poziomie systemu, ponieważ zwiększona wydajność prowadzi do zmniejszenia rozmiaru, a tym samym ceny elementów pasywnych i elementów magnetycznych, które będą potrzebne.
Innoscience udało się osiągnąć konkurencyjne cenowo urządzenia GaN, dzięki inwestycjom w największe na świecie fabryki 8-calowych płytek GaN-on-Si, wykorzystując w ten sposób ogromne korzyści skali. Ponadto kontrolując we własnym zakresie wszystkie kluczowe procesy produkcyjne, w tym epitaksję, firma osiąga konsekwentnie wysokie poziomy produkcji.
Jeżeli teraz przejdziemy do kwestii niezawodności, pierwszą kwestią, którą należy poruszyć, jest to, że technologia GaN może wydawać się nowa, ale w rzeczywistości istnieje już około 20 lat i jest dobrze zbadana i zrozumiana. Urządzenia są obecnie testowane zgodnie z międzynarodową normą JEDEC oraz szczegółowymi wytycznymi JEDEC opracowanymi dla urządzeń z szeroką przerwą energetyczną (JEP 180), w których urządzenia są poddawane stresowi łączeniowemu w celu naśladowania rzeczywistego zastosowania. Innoscience przeprowadza dalsze ekstrapolowane próby czasu eksploatacji, w tym HTGB (poza maks. parametrami bramki) i HTRB (poza maks. parametrami napięcia drenu w stanie wyłączonym).
Wnioski
Urządzenia GaN, zarówno dyskretne, jak i zintegrowane, stają się coraz bardziej dostępne dla coraz większej liczby zastosowań. Dzięki urządzeniom GaN rozwiązania do konwersji mocy i zarządzania mocą mogą być mniejsze, lżejsze, wydajniejsze i prostsze (mniejsza liczba komponentów). Urządzenia okazały się niezawodne i – z pewnością dzięki urządzeniom Innoscience – przejście na GaN nie rodzi konieczności ponoszenia dodatkowych kosztów, a całkiem możliwe, że wręcz odwrotnie.
Autor: Dr Denis Marcon, Dyrektor generalny Innoscience Europe
