רכיבים וכלי GaN‏ להספק של ADI‏ מניעים אפשרויות תכנון

מוליכים-למחצה גאליום ניטריד (GaN) עשו דרך ארוכה מאז שהפכו למסחריים כדיודות פולטות אור (LED) כחול עם בהירות גבוהה בתחילת שנות ה-90, ולאחר מכן, כטכנולוגיית ליבה עבור נגני דיסקים אופטיים Blu-ray‏. יעברו כמעט שני עשורים עד שהטכנולוגיה תהיה כדאית מסחרית עבור טרנזיסטורי אפקט-שדה (FET) עם נצילות הספק גבוהה.

GaN מייצג כעת את אחד המגזרים הצומחים בקצב הגבוה ביותר של תעשיית המוליכים-למחצה, עם הערכות של צמיחה שנתית מצטברת הנעות בין 25% ל-50%, מונעות על ידי הביקוש להתקנים בעלי יעילות אנרגטית גבוהה יותר כדי לעמוד ביעדי קיימות וחשמול.

טרנזיסטורי GaN יכולים לשמש לתכנון התקנים קטנים יותר ובעלי נצילות גבוהה יותר לעומת טרנזיסטורי סיליקון. שמשו תחילה עבור מערכות מגברי מיקרוגל בעלות הספק גבוה, יתרונות הגודל בייצור GaN והיכולת ליצור מגברים קטנים וחזקים יותר, הרחיבו את השימוש ויצרו שוק התקנים בהיקף של מיליארדי דולרים המתפרשים על יישומים צרכניים, תעשייתיים וצבאיים.

התקני סיליקון MOSFET נחשבים ככאלו שהגיעו לגבולות התיאורטיים שלהם עבור אלקטרוניקת הספק, בעוד של-Gan FETs יש עדיין פוטנציאל גדול לשיפורים נוספים בביצועים. מוליכים-למחצה GaN משתמשים לרוב במצעי סיליקון קרביד (SiC), ולאחריהם סיליקון, שהוא חסכוני יותר, או יהלום, שהוא בעל הביצועים הטובים והיקר ביותר. התקני GaN פועלים בטמפרטורות גבוהות יותר עם ניידות ומהירות אלקטרונים גבוהות יותר לעומת התקנים מבוססי סיליקון ועם מטען התאוששות-אחורנית נמוך או אפס.

למוליכים-למחצה להספק GaN יש צפיפות ההספק שהיא בערך פי חמישה מזו של מוליכים-למחצה של מגברי הספק גאליום ארסניד (GaAs). עם נצילות הספק של 80% או יותר, מוליכים-למחצה GaN מעניקים הספק, רוחב פס ונצילות מעולים לעומת חלופות כגון GaAs ומוליכי מתכת-אוקסיד עם דיפוזיה-רוחבית (LDMOS‏). הטכנולוגיה מנוצלת כעת ביישומים מגוונים, החל ממתאמי הספקת-כוח עם טעינה מהירה ועד להתקני גילוי אור ומדידת טווח (LiDAR) המשולבים בתוך מערכות עזר מתקדמות לנהג (ADAS) עבור מכוניות.

מרכזי נתונים מייצגים שוק מתפתח נוסף עבור התקנים מבוססי-GaN שיכולים לעמוד בצריכת ההספק הגדלה ודרישות הקירור עבור עלויות נמוכות יותר, כמו גם לסייע בטיפול במחלוקות סביבתיות גוברות העומדות בפני מפעילים בזירות רגולטוריות ופוליטיות.

יצרני מוליכים-למחצה וחברות מחקרי שוק מציגות גם שוק הולך וגדל עבור יישומי מתח נמוך וגבוה ברכבים חשמליים, החל מסוללות יעילות יותר ועד למהפכי הינע לסוללות.

זה תחום שנשלט עד היום על ידי התקני SiC, אשר, כמו GaN, מסווגים כמוליכים-למחצה עם פער-אנרגיה‏-רחב (WBG) עם ניידות אלקטרונית גבוהה ה"מאפשרים לרכיבי אלקטרוניקת הספק להיות קטנים יותר, מהירים יותר, אמינים יותר ויעילים יותר לעומת עמיתיהם המבוססים על סיליקון (Si‏)."ל-GaN יש פער-אנרגיה של eV‏ 3.4‏, בהשוואה ל-eV‏ 2.2‏ עבור SiC‏ ו-eV‏ 1.12‏ עבור Si‏.

מוליכים-למחצה להספק GaN ו-SiC פועלים בתדרים גבוהים יותר ויש להם מהירויות מיתוג גבוהות יותר והתנגדות הולכה נמוכה יותר לעומת סיליקון. התקני SiC יכולים לפעול במתחים גבוהים יותר, בעוד שהתקני GaN מספקים מיתוג מהיר יותר עם אנרגיה נמוכה יותר ומאפשרים למתכננים להפחית את הגודל והמשקל. SiC יכול לתמוך בעד 1,200 וולט, בעוד ש-GaN נתפס בדרך כלל כמתאים יותר עבור עד 650 וולט, למרות שהתקני מתח גבוה יותר הוצגו לאחרונה.

GaN יכול לספק בערך פי 10 מהספק תחום התדרים בהשוואה ל-GaAs ומוליכים-למחצה אחרים (איור 1).

איור 1‏: השוואה בין אלקטרוניקת הספק בתחום התדרים של מיקרוגל. (מקור: .Analog Devices, Inc)

שיקולי תכנון

ההערכה היא ש-70% או יותר מהאנרגיה החשמלית הנצרכת ברחבי העולם מעובדת על ידי אלקטרוניקת הספק. עם מאפייני ה-WBG של GaN, המתכננים יכולים ליצור מערכות אלקטרוניות קטנות יותר, תוך שימוש בצפיפות הספק גבוהה יותר, נצילות מעולה ומהירויות מיתוג אולטרה-גבוהות.

הטכנולוגיה מאפשרת חדשנות במספר שווקים, כולל אלקטרוניקת הספקת-הכוח, רכב, אחסון אנרגיה סולארית ומרכזי נתונים, בין היתר. עמידים ביותר בפני קרינה, התקני GaN‏ מתאימים היטב עבור יישומים צבאיים ותעופה-וחלל מתפתחים.

ייתכן שחלק ממתכנני האלקטרוניקה התרחקו מהתקני הספק GaN‏ עקב תפיסות שגויות ביחס לעלות החומרים. בעוד שהייצור של מצע GaN היה תחילה הרבה יותר גבוה מזה של Si, ההפרש הזה פחת במידה ניכרת, ושימוש במצעים שונים מספק למתכננים את היכולת למצוא את הפשרה הטובה ביותר בין עלות לבין ביצועים.

GaN-on-SiC מציעה את פוטנציאל השוק הרחב ביותר עבור המתכננים עם הפשרה הטובה ביותר של עלות וביצועים. עם זאת, עם האפשרויות של GaN-on-Si ו-GaN-on-Diamond‏, מתכנני מוצרים יכולים לבחור את המצע המתאים ביותר כדי לענות על צורכי המחיר/ביצועים של הארגונים והלקוחות שלהם.

הודות לקצבי המיתוג הגבוהים ביותר של GaN, המתכננים צריכים לשים לב במיוחד להפרעות אלקטרומגנטיות (EMI) וכיצד ניתן להפחית אותן בפריסת חוג הספקת-הכוח. דוחפי שער אקטיביים, החיוניים למניעת Overshoot‏ מתח, יכולים להפחית את ה-EMI מצורות גל המיתוג.

סוגיית תכן מרכזית נוספת היא ההשראות והקיבוליות הפרזיטיות העלולות לגרום להפעלות שגויות. מקסום יתרונות הביצועים תלוי בפריסה האופטימלית של חוגי הספקת-הכוח הרוחביות והאנכיות ובהתאמת מהירות הדוחף למהירות ההתקן.

המתכננים חייבים גם לייעל את הניהול התרמי כדי למנוע חימום-יתר העלול לפגוע בביצועים ובאמינות. יש להעריך את המארזים לגבי יכולתם להפחית השראויות ולפזר חום.

Analog Devices מייצרת מגברי הספק GaN

מערכות אלקטרוניות דורשות המרה בין המתח של מקור הספקת האנרגיה למתח המעגל שצריך להפעיל. חברת המוליכים-למחצה המובילה הוותיקה .Analog Devices, Inc‏ (ADI‏) שואפת להעניק ביצועי מגברי הספק GaN מובילים-בתעשייה ביחד עם תמיכה, ולאפשר למתכננים להשיג יעדי ביצועים מובילים ולהשיק את הפתרונות שלהם מהר יותר.

דוחפי שער ובקרים מורידי-מתח (או Buck‏) הם חיוניים עבור מקסום היתרונות של התקני הספק GaN‏. דוחפי GaN חצי-גשר משפרים את ביצועי המיתוג והנצילות הכוללת של מערכות הספקת-הכוח. ממירים מורידי-מתח DC-ל-DC ממירים מתח כניסה גבוה יותר למתח יציאה נמוך יותר.

ADI מציעה את ה-LT8418‏, דוחף חצי-גשר GaN‏ V‏ 100‏ המשלב דרגות דוחף עליון ותחתון, בקרת לוגיקה של הדוחף, הגנות ומתג Bootstrap‏ (איור 2). ניתן להגדיר אותו עבור טופולוגיות Buck‏ או Boost‏ חצי-גשר סינכרוני. דוחפי שער מפוצלים מכווננים את קצבי השינוי (Slew Rate‏) של מצב מופעל/מופסק של ה-GaN FETs‏ כדי למטב את ביצועי ה-EMI‏.

איור 2‏: סכימה של ממיר DC/DC ממותג מבוסס-LT8418 GAN של ADI. (מקור: .Analog Devices, Inc)

כניסות ויציאות של דוחפי GaN של ADI‏ ברירת המחדל היא מצב-נמוך כדי למנוע הפעלה שגויה של ה-GaN FETs. עם שיהוי התפשטות קצר של ns‏ 10‏, ביחד עם תיאום שיהוי של ns‏ 1.5‏ בין הערוץ העליון והתחתון, ה-LT8418 מתאים עבור ממירי DC/DC בתדר גבוה, דוחפי מנועים, מגברי אודיו Class-D, ספקי-כוח של מרכזי נתונים, ומגוון רחב של יישומי הספקת-כוח בשוקי צרכנים, תעשייה ורכב.

ה-LTC7890‏ ו-LTC7891‏ (איור 3) הם בקרי מייצבים ממותגים DC-ל-DC מורידי-מתח, כפולים ויחידים בהתאמה, עם ביצועים גבוהים עבור דחיפת דרגות הספק GaN FET סינכרוניות תעלת-N‏ ממתחי כניסה של עד V‏ 100‏. מיועדים לתת מענה לרבים מהאתגרים העומדים בפני מתכננים באמצעות GaN FETs, בקרים אלה מפשטים את תכני היישומים הודות לכך שאינם דורשים דיודות הגנה או רכיבים חיצוניים נוספים אחרים המשמשים בדרך כלל בפתרונות MOSFET סיליקון.

איור 3‏: בקר מוריד-מתח LTC7891‏ של ADI‏. (מקור: .Analog Devices, Inc)

כל בקר מעניק למתכננים את היכולת לכוונן במדויק את מתח דוחף השער מ-V‏ 4‏ עד V‏ 5.5‏ כדי למטב את הביצועים ולאפשר שימוש ב-GAN FETs ו-MOSFETs עם רמות לוגיקה שונות. מתגי אתחול חכמים פנימיים מונעים טעינת-יתר של פין BOOSTx לפין SWx של ספקי דוחף צד-גבוה בזמנים מתים, ומגנים על השער של ה-GaN FET העליון.

שני הרכיבים ממטבים פנימית את תזמון דוחף השער בשני קצוות המיתוג עבור זמן מת של כמעט-אפס, משפרים את הנצילות ומאפשרים פעולה בתדר גבוה. המתכננים יכולים גם לכוונן את הזמן המת עם נגדים חיצוניים. ההתקנים זמינים עם צדדים ניתנים-להרטבה במארזי Quad‏ שטוחים ללא-מוליכים (QFN). הסכמות ממחישות מעגלי יישומים טיפוסיים בתצורות של LTC7890‏ בגודל 6 מ"מ × 6 מ"מ עם 40 מוליכים (איור 4‏) ו-LTC7891‏ בגודל של 5 מ"מ × 4 מ"מ עם 28 מוליכים (איור 5‏).

איור 4‏: סכימה של מעגל יישום טיפוסי עם LTC7890 של ADI. (מקור: .Analog Devices, Inc)

איור 5‏: סכמה של מייצב מוריד-מתח עם LTC7891‏ של ADI‏ עם 28 מוליכים. (מקור: .Analog Devices, Inc)

המתכננים יכולים גם לנצל את פורטפוליו הכלים לניהול הספקת-כוח של ADI כדי להשיג את יעדי ביצועי ספקי-הכוח ולמטב את פריסת לוחות. ערכת הכלים כוללת מחשבון נגד Buck‏ משתנה, מגדיר-תצורה של שרשרת האותות וסביבת פיתוח מבוססת Windows.

סיכום

GaN הוא חומר מוליכים-למחצה טרנספורמטיבי המשמש לייצור רכיבים עם צפיפות הספק גבוהה, מהירויות מיתוג גבוהות ביותר ונצילות הספק מעולה. מתכנני מוצרים יכולים למנף את מוצרי דוחפי שער GaN FET של ADI כדי ליצור מערכות אמינות ויעילות יותר עם פחות רכיבים, וכתוצאה מכך מערכות קטנות יותר עם חתימות-שטח ומשקל מופחתים.