Технология GaN – революционный шаг в будущее
Новая технология CoolGaN™ компании Infineon позволяет создавать самые устойчивые на сегодняшний день GaN-транзисторы с высокой производительностью. Комбинируя эти устройства с изолированными драйверами затвора EiceDRIVER™, в состав которых входят трансформаторы без сердечников, разработчики силовой электроники получают возможность создавать преобразователи с более высокой производительностью, чем при использовании стандартных кремниевых транзисторов.
Нитрид галлия (GaN) – полупроводник с широкой запрещенной зоной, относящийся к той же категории, что и карбид кремния (SiC). В настоящее время для производства приборов используют готовые недорогие кремниевые подложки и формируют на них эпитаксиальные GaN-структуры - транзисторы с высокой подвижностью электронов (HEMT).
Рис.1. Поперечное сечение 600-В силового транзистора CoolGaN™
На рисунке 1 показано поперечное сечение транзистора CoolGaN™ на основе такой структуры. Поскольку у нитрида галлия и кремния – разные периоды кристаллической решетки и коэффициенты теплового расширения, сначала создаются переходные слои, которые являются подходящей основой для выращивания GaN-слоев. На поверхности раздела между слоями GaN и AlGaN формируется тонкий слой из свободных электронов, или т.н. двумерный электронный газ (2DEG). Этот слой обладает очень высокой проводимостью благодаря исключительно высокой подвижности электронов. Для изготовления транзистора необходимо установить электроды стока и истока. Структура затвора создает локальное электрическое поле, которое обедняет или обогащает слой 2DEG, таким образом отключая или включая проводящее состояние . Затвор на основе материала GaN p-типа в основном используются для создания приборов, работающих в режиме обогащения, а не обеднения. Другими словами, такой ключ нормально закрыт, а его пороговое напряжение составляет около 1,4 В.
В структуре затвора применяются диоды. В результате использования в затворе титана и материала p-GaN образуется омический контакт, расположенный между затвором и истоком последовательно GaN-диоду. Напряжение в точке перегиба вольтамперной характеристики этого диода в прямом направлении равно примерно 3,5 В. Кроме того, в GaN-транзистор интегрированы три последовательных GaN-диода для защиты затвора от электростатического разряда (ESD). Эти диоды начинают ограничивать напряжение затвор–исток, если оно становится меньше –10 В. Напряжение затвора CoolGaN™ регулируется в прямом и обратном направлениях, что обеспечивает высокую стойкость транзистора и защиту от превышения напряжения.
Приложения, в которых GaN обеспечивает максимальную эффективность
Первое, что может прийти в голову разработчику силовой электроники, – заменить имеющиеся транзисторы CoolMOS™ новым GaN-устройством, чтобы определить, насколько эффективнее оно работает. Однако часто эта замена разочаровывает, поскольку лишь в небольшой мере уменьшаются коммутационные потери. Это обусловлено тем, что схемы, в которых обычно применяются транзисторы CoolMOS™, представляют собой однополярные топологии вроде традиционной схемы повышающего корректора коэффициента мощности (ККМ), несимметричного обратноходового или двухтранзисторного прямоходового преобразователя. В этих топологиях, как правило, транзистор проводит только в прямом направлении. Следовательно, об эффективности внутреннего диода речь не идет, поскольку транзистор никогда не проводит в третьем квадранте. Единственными параметрами, которые следует учитывать помимо RDS(on), являются потери энергии при включении EOSS и скорость коммутации. Таким образом, небольшое преимущество GaN-транзистора в этом отношении не играет существенной роли – технология CoolMOS™ уже хорошо опробована и занимает свое почетное место в этих приложениях.
В каких же тогда системах GaN-транзисторы имеют наибольшие преимущества? Считается, что, главным образом, в ВЧ-системах. Однако очень высокая эффективность обеспечивается в полумостовых топологиях даже при небольшой рабочей частоте величиной 65 кГц. На рисунке 2 показана полномостовая топология ККМ с выходным двухтранзисторным каскадом, которая используется в исходном проекте Infineon с GaN ККМ мощностью 2,5 кВт.
Рис. 2. Полномостовая топология ККМ с выходным двухтранзисторным каскадом
В режиме непрерывной проводимости (CCM) транзисторы Q1 и Q2 работают попеременно как повышающий ключ и синхронный выпрямитель в условиях жесткой коммутации. Если бы стандартные кремниевые высоковольтные силовые транзисторы использовались вместо Q1 и Q2, из-за характеристики обратного восстановления их паразитных внутренних диодов возникали бы существенные коммутационные потери, приводящие к повреждению устройств. Однако у GaN-транзисторов – нулевое обратное восстановление, поскольку отсутствуют неосновные носители заряда, участвующие в канальной проводимости. Таким образом, коммутационные потери достаточно низки особенно потому, что выходная емкость и соответствующая энергия меньше, чем обеспечивают все конкурирующие транзисторные технологии.
Потери настолько малы, что КПД схемы ККМ, показанной на рисунке 6, превышает 99% в наибольшей части диапазона выходной мощности, что видно из рисунка 3. Действительно, пиковый КПД величиной 99,3% – необычно высокий показатель. При выходной мощности 1 кВт потери составляют всего 7 Вт. Схема ККМ исходного проекта от Infineon отражает практическую ситуацию, отвечая всем стандартным требованиям к ККМ, в т.ч. требованиям EN5022 к испытаниям на стойкость к кондуктивным ЭМП, молниевым разрядам и отсутствию линейного режима.
Рис. 3. Результаты измерения эффективности демо-платы с ККМ с выходным двухтранзисторным GaN-каскадом мощностью 2500 Вт
К настоящему времени к числу новых GaN-транзисторов компании Infineon относятся устройства IGx70R060D1 (600-В 70-мОм), которые выпускаются в четырех разных корпусах для поверхностного монтажа, включая охлаждаемые с верхней и тыльной сторон DSO, TOLL и DFN размером 8×8 мм. 190-мОм GaN-транзисторы изготавливаются в корпусах TOLL. Ожидается, что в ближайшее время эта продуктовая линейка пополнится транзисторами с сопротивлением 35 и 340 мОм, которые будут выпускаться в тех же четырех корпусах.