Tranzystory polowe GaN w konwerterach energii elektrycznej o dużej sprawności

Aby spełnić takie wymagania, projektanci systemów zasilania impulsowego coraz częściej odchodzą od stosowania klasycznych krzemowych MOSFET-ów i IGBT, ponieważ nie są w stanie z ich użyciem zbilansować wydajności, kosztów i wymaganej niezawodności w jednym produkcie. Zamiast nich w aplikacjach pojawiają się półprzewodniki z materiałów o szerokiej przerwie energetycznej (wide-bandgap, WBG), takich jak azotek galu (GaN). Elementy te przełączają sygnały szybciej niż wersje krzemowe, mają wyższe napięcia i prądy znamionowe, są znacznie mniejsze dla wersji o równoważnym poziomie mocy i działają ze znacznie wyższą sprawnością.

W tym artykule przedstawiono podstawowe właściwości tranzystorów z GaN, pokazano ich korzystne cechy w aplikacjach zasilaczy impulsowych oraz zaprezentowane zostaną przykładowe komponenty z oferty firmy Nexperia.

Podstawy GaN

Podstawowymi elementami obwodów konwersji mocy są wysokonapięciowe przełączniki półprzewodnikowe. W praktyce są to głównie tranzystory FET i IGBT. Poprawa sprawności konwersji jest osiągana poprzez zmniejszenie ich strat przewodzenia, czyli dzięki małej rezystancji w stanie załączenia, obniżenie strat przełączania (komutacyjnych), poprawę szybkości komutacji po to, aby tranzystor nie działał w obszarze liniowym podczas zmiany stanu oraz zmniejszenie efektów pasożytniczych. Wymagania te dotyczą wszystkich tranzystorów, a więc też krzemowych MOSFET-ów i IGBT, ale w tej technologii tempo poprawy parametrów maleje, ponieważ wiele elementów krzemowych dużej mocy osiąga swoje teoretyczne granice wydajności.

W ciągu ostatnich kilku lat na rynku pojawiło się wiele elementów mocy wykonanych z węglika krzemu (SiC) i azotku galu GaN. Działają one przy wyższych napięciach roboczych, mają krótsze czasy przełączania i zasilacze na nich bazujące mają wyższą sprawność. To zmienia warunki działania projektantów aplikacji dużej mocy.

Si vs GaN i SiC

Pasmo zabronione w półprzewodnikach określa minimalną energię potrzebną do wzbudzenia elektronów i przejścia do stanu swobodnego. Swobodne elektrony są nośnikiem ładunku, a więc zapewniają przewodzenie pradu (tabela 1).

Tranzystory z materiałów półprzewodnikowych o szerokiej przerwie energetycznej są w stanie pracować przy znacznie wyższych napięciach, częstotliwościach i temperaturach niż ich odpowiedniki krzemowe. Szeroka przerwa energetyczna jest szczególnie ważna, aby możliwe było też działanie elementów w znacznie wyższych temperaturach i przy znacznie wyższych poziomach mocy. Większe wartości krytycznego pola elektrycznego i większa ruchliwość elektronów przekładają się na małą rezystancję dren- źródło w stanie włączenia RDS(ON), co zmniejsza straty związane z przewodzeniem. Większość materiałów o szerokim paśmie wzbronionym charakteryzuje się ponadto dużą ruchliwością elektronów swobodnych, co pozwala im szybciej przełączać się między stanem przewodzenia a odcięcia.

W porównaniu do krzemu, którego przerwa energetyczna wynosi 1,12 eV, GaN i SiC są półprzewodnikami, dla których ten parametr jest około trzykrotnie większy: 3,4 eV i 3,3 eV. Oznacza to, że oba mogą materiały zapewniają wyższe napięcia robocze i mogą działać przy wyższej częstotliwości przełączania.

Wyższa ruchliwość elektronów w GaN sprawia, że materiał ten jest nacznie bardziej odpowiedni do zastosowań w aplikacjach o dużej wydajności. Większe prędkości przełączania i wyższe częstotliwości robocze, które są cechą tranzystorów mocy FET GaN, skutkują lepszą kontrolą sygnału, mniejszymi rozmiarami filtrów na wyjściach zasilaczy, lepszą dynamiką i mniejszą wartością prądu tętnień. Pozwala to na zastosowanie mniejszych cewek indukcyjnych, kondensatorów i transformatorów, co jest przepustką do miniaturyzacji całego urządzenia. Z uwagi na tę dużą ruchliwość elektronów tranzystory GaN FET określane są terminem HEMT (high electron mobility transistors) – rysunek 1.

 

Rys. 1. Przekrój struktury GaN FET wykonanego na podłożu Si

Tranzystory GaN FET są wytwarzane na istniejących liniach produkcyjnych, gdzie produkuje się krzemowe półprzewodniki CMOS, dzięki czemu ich ceny nie są duże. Warstwa półprzewodnika GaN jest osadzana na podłożu Si jako złożona struktura obejmująca warstwę początkową i następnie stopniowaną z GaN, między którymi jest warstwa izolująca bramkę z azotku glinowo-galowego (AlGaN). Ona ułatwia też wzrost "czystej" warstwy GaN. Kolejna warstwa AlGaN jest osadzona na wierzchu warstwy GaN. Umożliwia ona polaryzację i aktywację kanału, gdzie nadmiarowe elektrony pojawiają się bezpośrednio pod AlGaN i tworzą kanał o dużej przewodności. Te nadmiarowe elektrony są znane także jako dwuwymiarowy gaz elektronowy (2DEG). Nazwa ta odzwierciedla bardzo dużą ruchliwość elektronów znajdujących się w tej warstwie.

Pod bramką wytwarzany jest obszar zubożony, dzięki któremu działanie tranzystora jest analogiczne jak w n-kanałowym krzemowym MOSFET mocy w trybie wzbogacania kanału. Oznacza to, że dodatnie napięcie przyłożone do bramki włącza go. Dalej taka elementarna struktura jest wielokrotnie powielana, aby utworzyć element dużej mocy. Efektem końcowym jest prosty i ekonomiczny komponent służący do przełączania zasilania.

Aby uzyskać element o dużym napięciu znamionowym, zwiększa się odległość między drenem a bramką. Ponieważ rezystywność obszaru zajmowanego przez 2DEG jest bardzo mała, duże napięcie maksymalne tranzystora nie wywołuje tak dużego wzrostu rezystancji w stanie przewodzenia, jak jest to w elementach krzemowych.

 

Rys. 2. Niskonapięciowy krzemowy MOSFET w konfiguracji kaskodowej z zubożanym FET-em GaN łączy zalety sterowania elementu krzemowego z właściwościami napięciowymi i komutacyjnymi GaN, a także zapewnia jego pewny stan odcięcia po włączeniu zasilania

Tranzystory GaN FET są wytwarzane jako dwa typy: ze wzbogacaniem kanału lub ze zubożaniem. Te pierwsze są normalnie wyłączone, więc aby włączyć takiego FET-a, do bramki należy przyłożyć dodatnie napięcie w stosunku do źródła. Tranzystory z kanałem zubożanym są z kolei normalnie włączone, więc aby je wyłączyć, należy podać na bramkę ujemne napięcie w stosunku do źródła. Wersje zubożane są problematyczne w aplikacji, ponieważ trzeba zapewnić im ujemne napięcie polaryzacji przed włączeniem całości aplikacji, aby mieć stabilny stan. Jednym ze sposobów obejścia tego problemu jest połączenie niskonapięciowego krzemowego FET-a z zubożanym FET-em GaN w konfiguracji kaskodowej (rys. 2). Obwód kaskody łączy zaletę krzemowego MOSFET-a, jaką jest możliwość sterowania dużym prądem obwodu bramki, z tym, że zubożany GaN FET jest wyłączony po włączeniu zasilania.

Jedną z kluczowych cech GaN FET jest ich wysoka wydajność wynikająca z małej rezystancji szeregowej w stanie włączenia, co zmniejsza straty przewodzenia. Mają też krótsze czasy przełączania, co zmniejsza straty komutacyjne oraz zapewniają mniejszą akumulację ładunku, co odpowiada za ich małe straty mocy w czasie odzyskiwania zdolności zaporowych.

 

Rys. 3. Uproszczony schemat półmostkowej przetwornicy podwyższającej użytej do porównywania wydajności tranzystorów krzemowych i GaN

Porównanie wydajności tranzystorów GaN FET i Si MOSFET można najprościej przeanalizować, wykorzystując typową topologię przetwornicy podwyższającej napięcie w układzie półmostkowym (rys. 3). Jest zasilana napięciem 240 V, dostarcza na wyjściu 400 V, a częstotliwość przełączania wynosi 100 kHz. Sprawność przetwarzania i straty mocy są wyznaczane dla mocy do 3500 W (rys. 4).

 

Rys. 4. Porównanie sprawności i poziomu strat mocy w identycznym układzie przetwornicy boost na FET-ach GaN FET i krzemowych MOSFET-ach

Tranzystory GaN zapewniają o około 20% lepszą sprawność, a straty mocy są mniej więcej trzykrotnie mniejsze. Przy obciążeniu 2000 W w krzemowych MOSFET-ach straty wynoszą około 62 W, a w FET-ach GaN tylko 19 W. Oznacza to, że układ odprowadzania ciepła może być mniejszy, zapewniając większą gęstość mocy.

Mniej oczywiste jest to, że badania zostały wykonane do mocy aż 3500 W dla GaN FET, a elementy krzemowe nie zapewniły tego z uwagi na mniejsze napięcie znamionowe. Tu FET-y GaN FET mają zdecydowaną przewagę.

Wysokie napięcie z GaN-ami

Do aplikacji zasilanych wysokimi napięciami Nexperia oferuje dwa 650-woltowe tranzystory: GAN063-650WSAQ i GAN041-650WSBQ. Oba są n-kanałowymi FET-ami normalnie wyłączonymi (kanał wzbogacany). GAN063-650WSAQ może wytrzymać w czasie krótszym niż mikrosekunda napięcie 800 V, a jego prąd znamionowy wynosi 34,5 A. Tranzystor może rozproszyć moc 143 W w temperaturze 25°C, a jego rezystancja dren-źródło w stanie włączenia wynosi typowo 50 mΩ (maksymalnie 60 mΩ).

Drugi GAN041-650WSBQ też ma maksymalne napięcie znamionowe dren-źródło 650 V i też wytrzymuje 800 V przepięcia 1-mikrosekundowego. Różni się tym, że jest specyfikowany na prąd 47,2 A i moc 187 W w temperaturze pokojowej. Jego typowa rezystancja kanału wynosi 35 mΩ, z maksimum określonym tylko na 41 mΩ. Z tymi elementami powiązany jest projekt referencyjny półmostkowego stopnia mocy pokazany na rysunku 5.

 

Rys. 5. Projekt referencyjny półmostkowego stopnia mocy z GaN GAN063-650WSA. Na rysunku pokazano tylko sterownik bramki i półmostkowy stopień wyjściowy oraz powiązane z nimi komponenty

Wykorzystuje on specjalizowany sterownik bramki Si8230 z izolacją galwaniczną. Jego wyjście jest połączone z bramką tranzystora mocy przez rezystor 30 Ω, który determinuje czas ładowania pojemności bramka-źródło i prąd w obwodzie sterującym, wpływając na dynamikę komutacji. Elementy gasikowe RC między drenem a źródłem są wymagane dla tłumienia oscylacji podczas przełączania. Napięcie sterujące bramką wynosi od 0 do 10…12 V.

Duża szybkość przełączania tranzystorów GaN FET (zwykle od 10 do 11 ns) wymaga starannego rozplanowania mozaiki płytki drukowanej w celu zminimalizowania indukcyjności pasożytniczych oraz użycia gasików RC do tłumienia oscylacji powstających na zboczach komutowanych przebiegów napięć. W pokazanym projekcie jest wiele takich tłumików RC, także jako obwody 10 Ω-10 nF umieszczone między szyną wysokonapięciową a masą (R17 do 19 i C33 do 35). Powinny być podłączone jak najbliżej drenu dla górnego tranzystora. Elementy gasikowe wykorzystują rezystory SMD o małej efektywnej rezystancji szeregowej (ESR) i kondensatory ceramiczne i małych indukcyjnościach pasożytniczych.

Obwód złożony z R4, D1, C12 i C13 jest typowym rozwiązaniem zasilacza bootstrap zapewniającego pomocnicze napięcie zasilania dla sterownika bramki górnego tranzystora (high-side). Dioda D1 powinna być szybka o małej pojemności, ponieważ jej pojemność złącza przyczynia się do strat przełączania. R4 ogranicza prąd rozruchowy ładowania kondensatora bootstrapu do bezpiecznej wartości.

Podsumowanie

Potrzeba zapewnienia wysokosprawnego zasilania przy małych wymiarach i dużej mocy wyjściowej jest dzisiaj bardzo wyraźnie zarysowana w oczekiwaniach klientów wielu branż, od elektrycznej motoryzacji po infrastrukturę komunikacyjną i przemysłową. Zapewnienie takiej funkcjonalności wymaga często odejścia od klasycznych elementów krzemowych. Jak pokazano w artykule, tranzystory FET GaN otwierają nowe możliwości, pracując przy większych napięciach roboczych, z krótszymi czasami przełączania i wyższą sprawnością. Komponenty i projekty referencyjne przygotowane przez producentów pomagają projektantom w szybkim uruchamianiu projektów i sprawdzeniu możliwości.

Digi-Key Electronics
https://www.digikey.pl/