Výroba součástek z GaN technicky dospívá a vzniká kompletní výrobní platforma

Technologie polovodičových součástek z nitridu gallitého (GaN) rychle dospívá. Nitrid gallitý se již celkem běžně používá v mnoha nabíječkách mobilních zařízení, jimž přinesl výkon a účinnost, aby splnily požadavky standardu USB-PD (Power Delivery).

Podle společnosti Next Move Strategy Consulting, která se zabývá výzkumem trhu a poradenstvím v oblasti managementu, se nyní na tento lukrativní trh dodávají miliony součástek a předpokládá se, že velikost trhu s GaN nabíječkami [1], který byl v roce 2023 1,1 miliard dolarů, dosáhne do roku 2030 hodnoty 4,22 miliardy dolarů, přičemž v letech 2024 až 2030 bude složená roční míra růstu CAGR 19,9 %. Jestliže řekneme, že nitrid gallitý „vyrostl“ s trhem výkonných nabíječek, protože tento tržní segment spotřebuje obrovské objemy spolehlivých součástek, nyní se chystá další kapitola vývoje. Platforma dostupných součástek s GaN se rozrůstá z několika klíčových produktů do široké škály součástek pro různé úrovně napětí, v provedení integrovaných obvodů stejně jako diskrétních tranzistorů typu HEMT (High-Electron-Mobility Transistor), aby vyhovovala mnohem širší škále aplikací.

Jen rychlá připomínka: nitrid gallitý přináší převrat na trh s výkonovou elektronikou tím, že součástky s GaN zvládnou více energie při vyšší hustotě výkonu a vyšší účinnosti než klasické křemíkové polovodičové součástky, a to s téměř nulovými spínacími ztrátami. Nitrid gallitý má 10krát lepší parametry R_on (odpor hradla) a Q_g (celkový náboj hradla) než křemík. Proto mohou součástky spínat při vyšší frekvenci, aniž by došlo ke ztrátě účinnosti, což dává vývojářům možnost používat menší pasivní součástky a celkově snížit počet součástek, z nichž se zařízení skládá. Vysoká účinnost také znamená, že součástky generují méně tepla, které je třeba odvádět, takže management tepla je méně náročný a chladiče a ventilátory se buď nemusí používat vůbec, nebo mohou být menší.

Nitrid gallitý je přesvědčivým řešením také proto, že lze použít jednoduchá konstrukční uspořádání konverze energie. Tranzistory s GaN nemají žádnou „fyzickou diodu“ (tj. hypotetickou diodu ve třetím kvadrantu charakteristiky tranzistoru), takže zpětný zotavovací proud je nulový. Proto lze například použít bezmůstkový obvod PFC (Power Factor Correction) s totemovým pólem namísto složitějšího bezmůstkového obvodu PFC dual boost, který by byl nutný při použití i těch nejlepších křemíkových tranzistorů MOSFET, aby byla zachována vysoká účinnost.

Mají-li se GaN součástky rozšířit do široké škály úloh stejně úspěšně jako na trhu nabíječek USB-PD, bude třeba, aby jejich sortiment byl mnohem širší. Průmysl na to reaguje; příkladem může být společnost Innoscience, největší světový výrobce integrovaných obvodů 8-inch GaN-on-silicon, která nyní nabízí velmi široký sortiment výkonových součástek GaN pro zařízení s malým a nízkým napětím. Společnost nabízí součástky FET (Field-Effect Transistor) pro malé napětí 30 až 150 V s odporem přechodu do 1,2 mΩ a nízkonapěťová zařízení pro až 700 V s hodnotami R_DS(on)  v rozmezí 30 až 600 mΩ. Tyto FET GaN jsou také k dispozici v různých pouzdrech, včetně pouzdření CSP na úrovni waferů, flip chip QFN s horním nebo spodním bočním chlazením, pouzdra DFN a TO-xxx. Proto návrháři, kteří jsou zvyklí pracovat s těmito pouzdry u křemíkových součástek, mohou snadno přejít na GaN. Pro podporu těchto zařízení společnost Innoscience nedávno představila jednokanálový budič hradel optimalizovaný pro tranzistory GaN HEMT.

Jak již bylo uvedeno, přechod na součástky s GaN může přinést významné zvýšení výkonu. Kombinací nových polovodičových součástek s GaN lze dosáhnout ještě většího pokroku. Uvažujme napájecí jednotku (PSU, Power Supply Unit) o výkonu 4,2 kW na obr. 1, která používá 700V obvody s GaN na primární straně spolu se 150V GaN tranzistory na sekundární straně. Konstrukce totemového pólu PFC/LLC využívá spínače GaN R_DS(on) = 30 mΩ a 70 mΩ v pouzdru TOLL pro primární stranu a pro sekundární stranu čtyři páry nízkonapěťových tranzistorů v pouzdru flip chip QFN s R_DS(on) = 3,2 mΩ. Výsledná jednotka měří pouze 185 × 69 × 37 mm a dosahuje ohromující hustoty výkonu 130 wattů na kubický palec při špičkové účinnosti h_peak = 97,5 %, čímž snadno překonává laťku stanovenou standardem 80 Plus Titanium. Pro představu, ekvivalentní křemíkový zdroj s tranzistory MOSFET by měl dvojnásobnou velikost.

Obr. 1 Použitím GaN v primárních i sekundárních obvodech napájecího zdroje lze dosáhnout vysoké hustoty výkonu

ezi další příklady použití vícenásobných integrovaných obvodů GaN patří: ovladače pro LED, které se díky vysoké hustotě výkonu GaN vejdou dovnitř svítidla; 1000W DC/DC měnič na bázi GaN pro 300 W TV o rozměrech 220 × 180 × 8,5 mm, který je o 70 % menší a účinnější než 600W měnič na bázi křemíku. Stejně tak lze součástky GaN využít pro měniče frekvence, řídicí moduly pohonů a fotovoltaické systémy.

Integrované obvody s GaN

Zpočátku byly na trhu dostupné převážně jen diskrétní tranzistory s GaN. Přestože diskrétní součástky nabízejí velkou variabilitu konstrukčních uspořádání, stále častěji jsou nabízeny také integrované obvody. Ty zjednodušují proces návrhu, mohou snížit počet součástek a velikost výsledného produktu. Na obr. 2 jsou porovnány dva různé přístupy.

Obr. 2 Diskrétní versus integrovaná zařízení s GaN

Společnost Innoscience například představuje řadu integrovaných modulů SolidGaN™, které kombinují výkonový tranzistor, ovladač, senzor proudu a další funkce v jediném standardním průmyslovém pouzdře QFN 6 x 8 mm. Obvody ISG610x pro napětí 700 V pokrývají rozsah od 140 do 450 mΩ, šetří místo na desce plošných spojů a snižují počet součástek zařízení, přičemž zvyšují jeho účinnost a zjednodušují konstrukční uspořádání. Použít je lze u nabíječek USB-PD, ovladačů osvětlení s LED, napájecích zdrojů AC/DC a DC/DC a obvodů PFC, QR flyback, ACF a polovičních i úplných můstků. Integrované součástky mají široký rozsah U_cc  (9 až 80 V), což je výhodné pro nabíječky USB-PD, které vyžadují výstupní napětí až 28 V.

Pro provoz s malým výkonem mají integrované obvody řady ISG610x také nízký klidový proud, do 115 µA. Je to díky inovativnímu autonomnímu pohotovostnímu režimu, který se aktivuje, když napětí signálu PWM zůstane po určitou dobu pod hodnotou VPWM_LO. Během této doby je většina vnitřních obvodů vypnuta, což výrazně snižuje plýtvání energií a umožňuje zařízením splnit specifikace regulačních orgánů, jako je ENERGYSTAR, týkající se specifikací No-Load a Low-Load.

Bezztrátové snímání proudu se 7% přesností u nových zařízení SolidGaN nabízí několik výhod. Zaprvé, protože jsou eliminovány ztráty na rezistoru pro snímání proudu, lze bez ztráty výkonu použít větší R_DS(on), což vede ke snížení nákladů. Za druhé se snižuje počet součástek a minimalizuje se plocha desky plošných spojů. Zařízení jsou také vybavena spínačem s programovatelnou rychlostí spínání, která umožňuje minimalizovat elektromagnetické rušení. Součástí je interní lineární regulátor napětí, který zajišťuje napájení 6,5 V, maximalizuje účinnost napájení a zároveň zajišťuje spolehlivost GaN HEMT. Součástí integrovaného obvodu je vestavěná ochrana proti podpětí (UVLO), nadproudu (OCP) a nadměrné teplotě (OTP).

Obr. 3 Integrované obvody s GaN od společnosti Innoscience jsou snadno využitelné v různých zařízeních

Vyvrácení mýtů o vysoké ceně a malé spolehlivosti

Jak je vidět, integrované obvody mají mnoho výhod. Přesto diskrétní GaN součástky stále poskytují maximální přizpůsobivost návrhu a mohou být jedinou dostupnou možností při vyšších výkonech, dokud nebude dosaženo další paralelizace zapojení integrovaných zařízení – což je v plánu. Ať už jsou však vaše požadavky na konstrukci jakékoli, součástky GaN – ve vhodném formátu – mohou být jejich řešením. Proč se tedy některá odvětví elektronického průmyslu stále zdráhají přejít na součástky s GaN?

Bohužel někteří rozhodující pracovníci mají zastaralé informacemi o jejich ceně a spolehlivosti. Pojďme se na tyto aspekty nyní podívat.

Zpočátku byly GaN součástky samozřejmě dražší. Částečně to bylo proto, že se vyráběly v relativně malém množství (ve srovnání s křemíkovými tranzistory MOSFET), ale také proto, že společnosti potřebují získat zpět své investiční náklady a tradiční firmy vyrábějící standardní křemíkové polovodičové součástky musí chránit svůj byznys. Tranzistory vyrobené s použitím struktur GaN na křemíkových substrátech by však ze své podstaty neměly být dražší než standardní křemíkové součástky.

Obr. 4 ukazuje, že na základě veřejně dostupných údajů jsou nyní GaN HEMT InnoGaN společnosti Innoscience cenově srovnatelné s křemíkovými součástkami se superpřechody (SJ). Kromě toho GaN nabízí možnost dalších úspor nákladů, protože zvýšená účinnost vede ke zmenšení velikosti – a tedy i snížení ceny – potřebných pasivních i magnetických součástek.

Obr. 4 Srovnání ceny křemíkových superpřechodových (super-junction) součástek od různých dodavatelů a InnoGaN od společnosti Innoscience pro podobný proud a napětí. Ceny z veřejných katalogů pocházejí z www.digikey.com [2] a www.richardsonrfpd.com [3]

Společnost Innoscience dosáhla cenové parity tím, že vybudovala největší továrny na 8palcové GaN-on-Si na světě. Díky vlastní kontrole všech klíčových výrobních procesů, včetně epitaxe, dosahuje společnost trvale vysokých výtěžků. Může také využít obrovské úspory z objemu výroby.

Pokud jde o druhou otázku, je snadné poukázat na údaje o milionech let provozní životnosti, které nashromáždily křemíkové polovodiče, a položit si otázku ohledně spolehlivosti GaN. Součástky s GaN existují něco přes 20 let, jsou dobře prozkoumány a prostudovány, ale zatím mohou poskytnout výsledky testů za akumulovanou dobu zhruba 50 let. Součástky jsou nyní testovány podle mezinárodního standardu JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council) a podle specifických pokynů JEDEC vypracovaných pro zařízení s širokým zakázaným pásmem (JEP 180), kde jsou zařízení namáhána spínacím stresem, aby se napodobilo skutečné použití. Společnost Innoscience provádí další extrapolované testy životnosti, včetně HTGB (přesahující maximální specifikace hradla) a HTRB (přesahující maximální specifikace spínacího napětí).

Závěr

Nitrid gallitý prokázal své výkonnostní výhody v jednoduchých nabíječkách USB-PD s nízkou spotřebou energie, kde získává převahu. Vzhledem k tomu, že GaN je schopen úspěšně konkurovat na takto cenově citlivých trzích, měly by být snadno zodpovězeny otázky týkající se jeho komerční životaschopnosti v jiných aplikacích s vyšší hodnotou. Proto je GaN připraven přejít na další trhy s výkonovou elektronikou a společnosti uvádějí na trh množství GaN integrovaných obvodů, které jsou určeny pro stále širší škálu úloh. Zařízení pro konverzi a řízení napájení proto mohou být menší, lehčí, účinnější a jednodušší (s menším počtem součástek). Zařízení se osvědčila jako spolehlivá a cena tak nemusí být překážkou.

Odkazy:

[1] www.nextmsc.com/report/gan-charger-market

[2]  www.digikey.com

[3]  www.richardsonrfpd.com