600-woltowy e-HEMT CoolGaN i EiceDRIVER – przepustką do współczesnej energoelektroniki

Przez wiele lat postęp w zakresie konwersji mocy elektrycznej był zapewniany dzięki ciągłym innowacjom w zakresie krzemowych tranzystorów mocy. W tym artykule prezentowane są nowe komponenty z azotku galu (GaN), pokazywane jaki korzyści dla energoelektroniki niesie ze sobą ten materiał oraz podane przykłady zastosowań, w których zapewnia ultra-wysoką wydajność przy najniższych kosztach.

Struktura e-GaN

GaN jest materiałem półprzewodnikowym o szerokiej przerwie energetycznej i klasyfikowanym w tej samej kategorii podzespołów co węglik krzemu (SiC). Gdyby możliwe było wyhodowanie monokrystalicznych płytek podłożowych z GaN o dużej średnicy, tranzystory GaN mogłyby być wytwarzane podobnie jak obecnie wytwarzane tranzystory MOSFET SiC, a więc pionowo, do wewnątrz materiału. Ale niestety GaN okazał się niezwykle trudnym technologicznie materiałem, dlatego zamiast podłoża monokrystalicznego, a więc zawierającego wyłącznie azotek galu, o wiele bardziej skuteczne jest stosowanie łatwo dostępnych i niedrogich płytek krzemowych jako podłoża mechaniczne i wyhodowanie na nich cienkiej warstwy aktywnej GaN metodą epitaksjalną. Ponieważ warstwa GaN jest tym razem bardzo małej grubości wytwarza się na niej tranzystory boczne (o płaskiej konstrukcji) znane jako tranzystory o wysokiej ruchliwości elektronów (HEMT).

Rysunek 1 pokazuje przekrój tranzystora CoolGaN zbudowanego w takiej technologii. Ponieważ azotek galu i krzem mają różne stałe sieci krystalicznej i współczynniki rozszerzalności cieplnej, dla uniknięcia dyslokacji konieczne jest wyhodowanie wielu warstw przejściowych, stanowiących bazę do dalszego wzrostu warstw GaN. Na samej górze wykonywa jest warstwa izolacyjna AlGaN separująca kanał tranzystora od bramki. Po nią na styku warstw GaN i AlGaN powstaje warstwa wolnych elektronów, znana jako dwuwymiarowy gaz elektronowy (2DEG). 2DEG jest wysoce przewodzący ze względu na wyjątkową ruchliwość elektronów i tworzy przewodzący kanał. Po dodaniu kontaktów drenu i źródła oraz bramki wytwarzane lokalne pole elektryczne wywołuje zubożenie lub wzbogacenie kanału z 2DEG, umożliwiając zasadniczo włączenie i wyłączenie tranzystora. Zastosowanie GaN z domieszką "p" powoduje, że kanał jest wzbogacany – innymi słowy, wzrost napięcia na bramce powyżej progu około +1,4 V wywoła włączenie tranzystora poprzez zaindukowanie 2DEG (typ NO).

 

Rys. 1. Przekrój struktury tranzystora mocy CoolGaN 600 V

Warto zwrócić uwagę na diody pokazane na strukturze bramki. Połączenie metalowego kontaktu bramki (z tytanu) i półprzewodnika p-GaN tworzy omowy kontakt szeregowo połączony z diodą znajdującą się między bramką a źródłem. Dioda ma napięcie przewodzenia około 3,5 V.

Ponadto z tranzystorem GaN zintegrowane są trzy szeregowo połączone diody zabezpieczające w celu ochrony bramki przed wyładowaniami elektrostatycznymi (ESD). Te diody ESD zaczynają się przewodzić, gdy V_GS spadnie poniżej –10 V. W ten sposób napięcie bramki w CoolGaN jest automatycznie ograniczane dzięki zintegrowanym diodom zarówno w kierunku przewodzenia, jak i zaporowym, co czyni tranzystor wyjątkowo wytrzymałym i odpornym na przepięcia. Analogiczne rozwiązania konkurencji wykorzystują kontakt bramki Schottky'ego, który blokuje obcinanie zbyt dużego napięcia sterującego przez diodę GaN. W rezultacie konkurencyjne elementy wymagają dodatkowych zewnętrznych obwodów ochronnych do ograniczania wartości stanów nieustalonych napięcia bramki, które w przeciwnym razie uszkodziłyby warstwę izolacyjną bramki.

Rysunek 1 pokazuje również strukturę "hybrydowego drenu" p-GaN, która skutecznie zarządza ładunkiem zgromadzonym w obszarze kanału, łagodząc w ten sposób zmiany dynamiczne wartości rezystancji w stanie przewodzenia R_DS(ON), które są problemem w wielu konkurencyjnych rozwiązaniach tranzystorów GaN.

 

Rys. 2. Porównanie prądu nasycenia CoolGaN z elementem konkurencyjnym

Kolejną kluczową zaletą CoolGaN jest większy prąd nasycenia, szczególnie w maksymalnej temperaturze (150°C), a więc tam, gdzie ma to największe znaczenie. Na rysunku 2 pokazano porównanie tranzystora CoolGaN o znamionowej wartości R_DS(ON) 70 mΩ w porównaniu z typowym elementem konkurencyjnym klasy 650 V i 50 mΩ. Jak widać nawet przy doprowadzeniu do maksymalnego zalecanego napięcia bramki wynoszącego 6 V, konkurencyjny tranzystor ma wartość znamionową tylko 25 A jako maksimum. Analogiczny CoolGaN ma niższy R_DS(ON) w całym zakresie prądów przewodzenia i również większy aż o 40% maksymalny (szczytowy) prąd drenu (35 A). Ta ostatnia wartość ma krytyczne znaczenie, ponieważ wiele aplikacji wymaga, aby urządzenie działało poprawnie w warunkach chwilowego przeciążenia (rozruch, zanik cyklu, zwarcie itp.). Dlatego połączenie wytrzymałej na przebicie struktury bramki i większego dopuszczalnego prądu szczytowego sprawia, że CoolGaN firmy Infineon jest najbardziej wytrzymałym i niezawodnym tranzystorem mocy GaN dostępnym na rynku.

Sterowanie za pomocą EiceDRIVER

 

Rys. 3. Sposób sterowania bramką tranzystora z wykorzystaniem typowego drivera IGBT

Jak opisano w poprzedniej sekcji, bramka CoolGaN zawiera układ ograniczania wartości szczytowej napięcia sterującego do wartości ok. 3,5 V, co pozwala zamiast odejść od sterowania stałym napięciem, zmieniając metodę na stały prąd. Wówczas napięcie na bramce po prostu odpowiada charakterystyce diody w kierunku przewodzenia. W takiej metodzie i dla opisanego powyżej tranzystora o R_DS(ON) 70 mΩ, typowy prąd bramki w stanie ustalonym zapewniający pełne wysterowanie wynosi około 10 mA. Niemniej w celu szybkiego naładowania pojemności bramki potrzebny jest znacznie większy prąd chwilowy trwający przez około 20 ns.

Można to osiągnąć za pomocą sterownika dwustopniowego, ale o wiele prostszym rozwiązaniem jest zastosowanie konwencjonalnego sterownika bramki z dodanym dwójnikiem RC w obwodzie bramki (zamiast ograniczającego wartość prądu sterującego pojedynczego rezystora), jak pokazano na rysunku 3. W tym rozwiązaniu do efektywnego sterowania bramką GaN można zastosować konwencjonalny sterownik bramki 12 V. Dwójnik RC nie tylko dostarcza impuls szczytowego prądu niezbędny do szybkiego włączenia, ale także ładuje do potencjału V_CC–V_GS, stąd przy wyłączaniu zapewniony jest niezbędny do wyłączenia ujemny potencjał.

Ujemna polaryzacja bramki w czasie wyłączenia tranzystora ma bardzo duże znaczenie, ponieważ zapewnia dodatkowy margines bezpieczeństwa, zapobiegający niepożądanemu włączeniu tranzystora z uwagi na to, że szybko narastające w chwili wyłączania napięcie na drenie (a więc duża wartość dv/dt) poprzez pasożytniczą pojemność bramka-dren, wywołuje wzrost napięcia na bramce i grozi niekontrolowanym włączeniem.

Stąd ujemna polaryzacja zapobiega możliwości wzrostu napięcia sterującego nawet dla bardzo szybko narastającego napięcia na drenie.

Ale ujemna polaryzacja bramki ma też wadę. W czasie martwym, a więc pomiędzy przewodzeniem górnego i dolnego tranzystora w układzie mostka, gdy tranzystor znajduje się w stanie przewodnictwa wstecznego efektywny spadek napięcia wynosi około 2 V plus ujemne napięcie polaryzacji bramki. Dlatego pożądane jest stosowanie najmniejszej wartości ujemnej polaryzacji koniecznej do utrzymania elementu w stanie całkowitego wyłączenia, aby zminimalizować rozproszenie mocy podczas przewodzenia w trzeciej ćwiartce w czasie martwym. Idealnie V_GS powróciłby do zera po czasie martwym.

 

Rys. 4. Izolowany sterownik bramki GaN EiceDRIVER o dużej wydajności

 

Rys. 5. Trójpoziomowe przebiegi sterujące bramką tranzystora GaN zapewniane przez EiceDRIVER

 

Rys. 6. Pełnomostkowy PFC z pełnym mostkiem w układzie totem-pole – projekt referencyjny Infineona

Z uwagi na takie detale warto sięgnąć po sterowniki specjalizowane, np. 1EDF5673 EiceDRIVER. Układy z tej rodziny mają unikatowe trzypoziomowe rozwiązanie sterowania bramką, jak pokazano na rysunku 4, z przebiegami zilustrowanymi na rysunku 6. Mimo wbudowanej separacji galwanicznej między wejściem i wyjściem ten sterownik jest jednym z najszybszych układów dostępnych na rynku, z opóźnieniem propagacji 37 ns i rozrzutem czasu opóźnienia –6/+7 ns, które jest problemem gdy konieczne staje się zapewnienie bardzo dokładnego taktowania i adaptacyjnego zarządzania czasem martwym przy wysokich częstotliwościach kluczowania. Co więcej, izolacja sterownika zapewnia dużą odporność na stany przejście w trybie wspólnym (CMTI) > 200 V/ns, co otwiera drogę do pracy z dużą prędkością przełączania w układach mostkowych przy wysokim napięciu zasilania.

Sterownik wymaga do pracy pojedynczego napięcia zasilającego, ale zapewnia chwilowy ujemny potencjał bramki dzięki ładunkowi w pojemności dwójnika albo poprzez odwrócenie zacisków wyjściowych w trybie pracy burst. Ponadto napięcie bramki jest ustawiane na zero, aby zoptymalizować przewodzenie tranzystora w trzeciej ćwiartce. Czas trwania ujemnej polaryzacji można programować za pomocą rezystora dołączonego do pinu TNEG. Takie możliwości zapewniają najlepszą kombinację szybkości działania, wydajności i bezpieczeństwa komutacji (brak fałszywego załączenia). Dodatkowo sterownik zapewnia dużą zdolność do miniaturyzacji – jest dostępny w obudowach LGA 5×5 mm, 16-pinowych wąskich obudowach DSO, a także 16-pinowych szerokich obudowach DSO. Izolacja spełnia wymagania bezpieczeństwa UL/VDE.

Zastosowania tranzystorów 600-woltowych CoolGaN

Pierwszym pomysłem dla każdego inżyniera jest niewątpliwie próba zastąpienia dotychczasowego tranzystora nowym GaN-em, aby przekonać się, o ile lepiej on będzie działać. Przy takim podejściu projektanci często są zaskoczeni, że GaN zapewnia jedynie niewielką poprawę w zakresie strat komutacyjnych. Wynika to z faktu, że obwody, w których takie zamiany są wprowadzane są często topologiami jednoelementowymi, takimi jak tradycyjny konwerter boost do układu PFC, jednotranzystorowa przetwornica flyback (zaporowa) lub dwutranzystorowa typu forward (przepustowa). W tych topologiach używa się tylko sterowania tranzystora w kierunku przewodzenia powszechnym tematem jest to, że tranzystor przewodzi tylko w kierunku do przodu a równoległa do MOSFET-a dioda podłożowa nie ma znaczenia, ponieważ tranzystor nigdy nie przewodzi w trzeciej ćwiartce. Zatem jedynymi parametrami, które mają znaczenie oprócz R_DS(ON), są straty energii podczas włączania (EOSS) i prędkość komutacji.

Elementy GaN działają najlepiej i zapewniają największe korzyści przy dużych częstotliwościach komutacji oraz w topologiach mostkowych na niższych częstotliwościach, nawet 65 kHz.

Na rysunku 6 pokazano schemat konwertera PFC 2,5 kW w układzie pełnomostkowym. Tranzystory Q1 i Q2 pracują w trybie ciągłego przewodzenia (CCM) działają dwufunkcyjnie jako przełącznik boost i prostownik synchroniczny. Gdyby zastosowano konwencjonalne krzemowe tranzystory wysokonapięciowe, pasożytnicze diody równoległe, a dokładniej ich charakterystyka przy polaryzacji wstecznej i duży ładunek jaki wymagany jest do usunięcia w tym czasie ze złącza spowodowałaby ogromne straty przełączania. Ale tranzystory GaN nie mają z tym problemu, ponieważ nie ma w nich mniejszościowych nośników zaangażowanych w przewodzenie kanału. Zatem straty przełączania są dość niskie, zwłaszcza, że pojemność wyjściowa i energia z nią związana są mniejsze niż w jakiejkolwiek konkurencyjnej technologii tranzystorowej.

 

Rys. 7. Sprawność zapewniana przez płytkę demonstracyjną PFC

Straty są tak małe, że PFC pokazany na rysunku 6 może zapewnić sprawność przekraczającą 99% dla większości zakresu mocy wyjściowej, jak pokazano na pomiarach zilustrowanych na wykresie z rysunku 7. Szczytowa sprawność 99,3% jest naprawdę niezwykła, bo oznacza jedynie 7 watów strat przy pracy z mocą 1 kW! Warto dodać, że projekt referencyjny firmy Infineon spełnia wszystkie wymagania norm w zakresie PFC, w tym na zaburzenia przewodzone EMI EN5022, zaniki sieci i udary napięciowe.

Podsumowując, oferta tranzystorów CoolGaN firmy Infineon zawiera najbardziej wytrzymałe tranzystory GaN 600 V dostępne obecnie na rynku. W połączeniu z izolowanymi driverami EiceDRIVER projektanci systemów energoelektroniki mogą teraz w opłacalny sposób dostarczać rozwiązania o wyższej sprawności niż kiedykolwiek wcześniej.

Portfolio tranzystorów CoolGaN obejmuje obecnie cztery produkty: IGx60R070D1 600 V 70 mΩ w chłodzonych od góry lub od dołu obudowach DSO, TOLL i 8×8 DFN, dwa tranzystory IGx60R190D1x 600 V 190 mΩ w TOLL i 8×8 DFN, a także 400 V 70 mΩ IGT40R070D1 w obudowie TOLL dostosowanej do zastosowań audio. Wkrótce pojawią się kolejne.

Eric Persson, GaN Applications,
Infineon Technologies AG
 tel. 22 377 69 50, www.infineon.com