نيتريد الغاليوم (GaN) يحل محل السيليكون من أجل كفاءة الطاقة وتصميمات الطاقة عالية التردد

“في جميع تطبيقات إلكترونيات الطاقة ، تعد كثافة الطاقة أحد المقاييس الرئيسية ، مدفوعة بشكل أساسي بكفاءة أعلى للطاقة وترددات تحويل أعلى. مع اقتراب التقنيات القائمة على السيليكون من حدودها ، يتطلع مهندسو التصميم الآن إلى تقنيات ذات فجوة الحزمة العريضة مثل نيتريد الغاليوم (GaN) لتوفير الحلول.

“

بقلم: يونج آنج ، مدير التسويق الاستراتيجي بشركة ON Semiconductor

في جميع تطبيقات إلكترونيات الطاقة ، تعد كثافة الطاقة أحد المقاييس الرئيسية ، مدفوعة بشكل أساسي بكفاءة أعلى للطاقة وترددات تحويل أعلى. مع اقتراب التقنيات القائمة على السيليكون من حدودها ، يتطلع مهندسو التصميم الآن إلى تقنيات ذات فجوة الحزمة العريضة مثل نيتريد الغاليوم (GaN) لتوفير الحلول.

بالنسبة للتكنولوجيا الجديدة ، تعد GaN أقل تكلفة بطبيعتها من التكنولوجيا التي ستحل محل (السيليكون). يتم إنتاج أجهزة GaN في نفس المصنع باستخدام نفس عملية التصنيع مثل أجهزة السيليكون. لذلك ، نظرًا لأن أجهزة GaN أصغر من أجهزة السيليكون المكافئة ، يمكن إنتاج المزيد من الأجهزة لكل رقاقة ، مما يقلل تكلفة كل رقاقة.

يتميز GaN بالعديد من مزايا الأداء ، بما في ذلك تنقل إلكتروني أعلى بكثير من السيليكون (3.4 eV مقابل 1.1 eV) ، مما يمنحه القدرة على توصيل الإلكترونات بكفاءة 1000 مرة أكثر من السيليكون. ومن الجدير بالذكر أن شحنة بوابة GaN (Q_جي) أقل ، ولأنه يجب تجديده خلال كل دورة تبديل ، فإن GaN قادر على العمل حتى 1 ميجاهرتز دون فقدان الكفاءة ، بينما يكافح السيليكون للحصول على أعلى من 100 كيلو هرتز. أيضًا ، على عكس السيليكون ، لا يحتوي GaN على صمام ثنائي للجسم ، ويمكن لـ 2DEG عند السطح الحدودي AlGaN / GaN توصيل التيار في الاتجاه المعاكس (تسمى عملية “الربع الثالث”). لذلك ، لا يوجد لدى GaN أي رسوم استرداد عكسية (Q_RR) ، مما يجعلها مثالية لتطبيقات التحويل الثابت.

الشكل 1: تم تحسين GaN للتبديل السريع

الجاليوم لديه قدرة محدودة على الانهيار الجليدي وهو أكثر عرضة للجهد الزائد من السيليكون ، مما يجعله مناسبًا للغاية لجهود مصدر التصريف (V_DS) في طوبولوجيا نصف الجسر التي تثبت جهد السكك الحديدية. إن عدم وجود صمام ثنائي للجسم يجعل GaN خيارًا جيدًا لتصحيح عامل الطاقة ذو القطب الطوطم الثابت (PFC) ، كما أن GaN مناسب تمامًا لتطبيقات تبديل الجهد الصفري (ZVS) ، بما في ذلك الرنانة LLC و flyback النشط.

ستستفيد محولات الشحن السريع بمستويات طاقة 45 واط إلى 65 واط من flybacks النشطة القائمة على GaN ، بينما يتم استخدام GaN المستندة إلى LLC في محولات طاقة الكمبيوتر المحمول المتطورة بقدرة 150 واط إلى 300 واط ، مثل تلك المستخدمة في الألعاب. . في هذه التطبيقات ، يمكن أن يضاعف استخدام تقنية GaN كثافة الطاقة ، مما يتيح مهايئات أصغر وأخف وزنًا. على وجه الخصوص ، يمكن تقليل حجم المكونات المغناطيسية المرتبطة. على سبيل المثال ، يمكن تقليل حجم قلب محول الطاقة من RM10 إلى RM8 في التصميمات المنخفضة أو المسطحة. ونتيجة لذلك ، تتضاعف كثافة الطاقة أو تضاعف ثلاث مرات لتصل إلى 30 واط / في العديد من التطبيقات³.

في التطبيقات ذات الطاقة العالية ، مثل مزودات الطاقة التي تشغل الخوادم وأنظمة السحابة والاتصالات السلكية واللاسلكية ، لا سيما تلك القائمة على PFCs ذات القطب الطوطم ، فإن اعتماد GaN يتيح كفاءة في استخدام الطاقة تزيد عن 99 بالمائة. وهذا يمكّن هذه الأنظمة من تلبية أهم معايير كفاءة الطاقة (والأكثر صرامة) مثل 80+ التيتانيوم.

تعتبر طريقة تشغيل أجهزة GaN أمرًا بالغ الأهمية لحماية أكسيد البوابة الحساس نسبيًا. من المهم بشكل خاص توفير سعة محرك بوابة منظمة بدقة أثناء تشغيل الجهاز. تتمثل إحدى طرق تحقيق ذلك في إضافة منظم منخفض التسرب (LDO) إلى محرك بوابة السيليكون MOSFET الموجود. لكن هذا يضر بأداء محرك البوابة ، لذلك من الأفضل استخدام برنامج تشغيل نصف جسر مخصص يقود GaN.

وبشكل أكثر تحديدًا ، يبلغ وقت تأخير الانتشار النموذجي لبرنامج تشغيل MOSFET السيليكوني حوالي 100 نانوثانية ، وهو غير مناسب لقيادة أجهزة GaN بسرعات تتراوح بين 500 كيلو هرتز و 1 ميجا هرتز. لمثل هذه السرعات ، من الناحية المثالية ، يجب ألا يتجاوز تأخير الانتشار 50 نانوثانية.

نظرًا لانخفاض السعة ، يوجد معدل تحويل عالي الجهد بين استنزاف ومصدر جهاز GaN. يمكن أن يؤدي هذا إلى فشل سابق لأوانه في الجهاز أو حتى فشل ذريع ، خاصة في التطبيقات عالية الطاقة. لتجنب ذلك ، من الضروري وجود مناعة عالية dv / dt (في حدود 100 V / ns).

يمكن أن يكون لثنائي الفينيل متعدد الكلور تأثير كبير على أداء تصميمات GaN ، لذلك غالبًا ما يتم استخدام التقنيات المستخدمة بشكل شائع في تخطيطات من النوع RF. نوصي أيضًا باستخدام حزمة الحث المنخفض (مثل PQFN) لبرنامج تشغيل البوابة.

ON Semiconductor’s NCP51820 هو أول سائق بوابة نصف جسر في الصناعة مصمم خصيصًا لتقنية GaN. يتميز بمحرك بوابة منظم 5.2 فولت مع تأخير انتشار نموذجي يبلغ 25 نانوثانية فقط. لديها مناعة dv / dt تصل إلى 200 V / ns ومتوفرة في حزمة PQFN منخفضة الحث.

الشكل 2: NCP51820 عالي الأداء ، محرك بوابة نصف جسر 650 فولت لتبديل طاقة GaN

تطبيقات مثل محولات طاقة USB PD سريعة الشحن منخفضة الطاقة ومحولات الطاقة العالية لأجهزة الكمبيوتر المحمولة المخصصة للألعاب ستعتمد في البداية تقنية GaN وتنمو. ويرجع ذلك أساسًا إلى توفر وحدات التحكم والمحركات لدعم هذه التطبيقات التي تتطلب ترددات تحويل عالية ، مما يؤدي إلى دورات تصميم أقصر. سيتم اعتماد GaN أيضًا عندما تصبح حلول السائق ووحدة التحكم والوحدة المناسبة متاحة لتطبيقات الطاقة الأعلى مثل الخادم والسحابة والاتصالات.