Svezete se na vlně GaN? Je na vzestupu

Technologie stavějící na nitridu galia (GaN) nejsou ničím novým. Původně se pro své vf charakteristiky využívaly ve výkonnějších mikrovlnných rádiových systémech, poté stály u rozmachu ve výrobě LED a v posledních letech začíná jejich hodnota vyplouvat na povrch zase v oblasti napájení. Vybraným přednostem GaN se věnuje i tento článek.

Kvůli širokému zakázanému pásu příznačnému právě pro GaN se dokážeme s výhodou pohybovat na vysokých rychlostech odpovídajících 60/70 GHz. Spolu se součástkami dobývajícími trh od společností, jako je např. Wolfspeed (Cree), se technologie zpočátku ujala mezi aplikacemi s mikrovlnnou komunikací. Výzkumníci z univerzity v Bristolu třeba momentálně pracují na tranzistorech HEMT (High Electron Mobility Transistor) pro další generaci mobilních sítí 5G a 6G a využívají přitom GaN ve spojení s diamantovým substrátem. A široký zakázaný pás GaN bude užitečný také v oblasti LED. Firmy, jako jsou Broadcom/Avago, STMicroelectronics nebo LiteOn, dosahují s takovou technologií vyšší účinnosti a také delší životnosti u pevných osvětlovacích systémů.

Vše výše uvedené pak pro GaN s klesajícími rozměry snižuje i výrobní náklady. Dlužno však dodat, že zisky budou v porovnání s křemíkem stále nižší, což se na výsledné ceně součástek GaN musí nějakým způsobem projevit (a to i v případě, že výnosy v průběhu času ještě porostou a související příplatky se sníží). Velké pole působnosti se technologii nyní otevírá mezi elektrovozidly a jejich napájením. Různé návrhy tranzistorů GaN kromě toho umožňují řešit požadavky na vyšší pracovní kmitočet a také rostoucí účinnost, zatímco dále snižujeme velikost zdrojů napájení. To však bude platit v libovolném systému – od chytrého telefonu přes notebooky až po vybavení stojanů v datovém centru.

Zajímavá bude též kombinace předpokladů pro bezdrátové a napájecí technologie. To pak dostaneme nové typy systémů bezdrátových nabíječek vylučujících potřebu napájecího kabelu. Se všemi takto nově vznikajícími oblastmi popularita GaN strmě roste. Ve svém režimu dokážou řídit rychlost přeběhu prostým přizpůsobením odporu hradla. Snižují tak jakékoli elektromagnetické interference (EMI) spojené s vysokorychlostním spínáním a výrazně menší mohou být i aplikace pro řízení motorů.

S hybridními a také elektrickými vozy se pojí značné požadavky na konverzi napájení. Při spínání se zde můžeme běžně pohybovat na 100 kW, a zatímco typický polovodičový měnič dosáhne účinnosti 95 %, stejné bloky s GaN mohou navzdory širokému rozsahu provozních zatížení vykázat 98, nebo snad i 99 procent. To na první pohled nemusí vypadat jako velký rozdíl. Pokud se ale na tradičním řešení dokáže ztratit bezmála 5 kW, pro ekvivalentní návrhy s GaN to bude znamenat výkonovou ztrátu pouhý 1 kW. S ohledem na řízení teploty to představuje obrovský rozdíl, vždyť váhu chladiče tak budeme schopni nejen snížit, ale třeba jej vyřadíme úplně. Prokazatelné omezení ztrátového výkonu (300 %) umožňuje ochlazovat spíše vzduchem a nebýt přitom tolik závislí na dalších postupech. A pokud účinnost klasického polovodičového měniče spadne při nižším zatížení až na 70 % a s návrhem vystavěným na GaN poklesneme jen na 90 %, projeví se rozdílný přístup ještě více.

V polovodičovém průmyslu existuje řada firem, které své návrhy v oblasti napájení řeší s technologií GaN – od zavedených světových hráčů typu STMicroelectronics nebo Panasonic až po start-upy jako třeba GaN Systems. Klíčovou výhodou se při využití GaN stává účinnost konverze, nicméně je již za námi i pěkný kus cesty s cílem osvojit si zmíněnou technologii ještě více. Zahrnuje to např. doložení přetrvávající spolehlivosti, stejně jako zajištění modelů SPICE nebo potřebných návrhových příruček, které by vývojářům pomohly nové součástky zapracovat.

Prvky GaN mají v porovnání s křemíkovými strukturami nejen mnohem širší zakázaný pás, ale vykazují rovněž vyšší průrazné napětí. Tranzistory GaN se proto neztratí ani v návrzích s napětím dosahujícím až 650 V nebo 700 V. A menší rozměry, které oproti křemíkovým MOSFETům či IGBT zabírají, umožňují omezit přítomné parazitní kapacity. To pak na oplátku povede k vyšším rychlostem spínání. Zmíněná nízká nežádoucí kapacita společně s vysokými spínacími rychlostmi a stejně tak i napětím znamená rovněž prostor pro menší použité součástky, např. transformátory a indukčnosti. Dostáváme proto účinné a ještě kompaktnější měniče, takže nabíječky pro mobilní telefon či notebook svými rozměry jen stěží překročí provedení síťové vidlice. Součástky se špičkovými parametry si nicméně žádají též speciální kontroléry nebo budiče hradla.

Panasonic začal sériově vyrábět své 600V tranzistory X-GaN (Enhancement Mode) a také vysokorychlostní kontroléry – budiče hradla. Tranzistory přitom ovládají na kmitočtech až do 4 MHz, což je v návrzích zdrojů docela dost, a nezapomínají ani na aktivní funkci známou jako „Miller Clamp“ zabraňující potížím při vysokých rychlostech spínání. Součástky využijeme při napájení v rozmezí od 100 W až do 5 kW – ve střídačích pro solární panely, vybavení stojanů v datových centrech, zdrojích pro základnové stanice mobilních sítí nebo též audiovizuální technice či medicíně.

Společnost GaN Systems zase přišla s vlastními technologickými postupy, návrhy a také pouzdřením vyřazujícím potřebu přivařovaného spoje. Ve výsledku tak může nabídnout integrované obvody se zvýšenou úrovní spolehlivosti a navíc i menšími pouzdry. Díky propojení chráněné technologie Island™ spolu s pouzdřením GaNPX budou i s menšími chladiči nebo ventilátory protékat proudy stovek ampér. Součástky mají kladný teplotní koeficient omezující proud s rostoucí teplotou. To pak pomůže integrovaným obvodům s vysokým proudovým zatížením a větším počtem zapouzdřených čipů.

Struktura Island™ představuje dvojí výhodu. Snižuje velikost a také cenu obvodů GaN, zatímco značné proudy na čipu přenáší z kovu směrem k oddělenému nosiči. Společnost GaN Systems vyvinula vysoce účinný 3kW referenční návrh pro BTP (Bridge-less Totem Pole) PFC (Power Factor Correction) stavějící na vlastních prvcích GaN E-HEMT pro vstupy od 176 V až do 264 V a výstup 400 V. Architekturu BTP-PFC jsme jako účinnější topologii měniče znali již řadu let, praktické nasazení však umožnily teprve lepší parametry odvozené od tranzistorů GaN.

Tradiční obvody PFC zahrnují usměrňovač s plným můstkem a zvyšující obvody předregulace. Velké systémové ztráty však vznikají na diodovém můstku a nelze je vyloučit ani při spínání s nulovým napětím na zvyšujícím stupni. To pak již ze své podstaty limituje špičkovou účinnost klasického návrhu PFC.

S dobře navrženým řešením PFC můžeme dosahovat účinnosti 97, nebo i 98 procent. Dostat se však se standardním PFC nad úroveň 98 % již bude velmi obtížné, protože zde máme pevně dané ztráty diodového můstku. Standardy 80PLUS Titanium např. definují účinnost při polovičním zatížení na úrovni 94 % pro nižší a 96 % za předpokladu vyššího napětí. Vzhledem k tomu, že typický DC/DC měnič pracuje s účinností 97,5 %, abychom vyhověli standardům, potřebujeme u stupně PFC dostat účinnost více než 98,5 %. Bezmůstková korekce PFC již diody nepotřebuje, zbavuje se souvisejících ztrát a může proto dosahovat účinnosti 99 procent, nebo i více.

Systém BTP-PFC byl navržen již v minulosti, nicméně ještě nedávno bylo jeho využití velmi omezené. Hlavní nedostatek spočíval v problematickém zpětném zotavení klasických křemíkových MOSFETů v konfiguraci polovičního můstku. Prvky GaN však vestavěnou diodu nepotřebují a jejich vysokofrekvenční provoz umožňuje ve výkonovém stupni polovičního můstku spínat natvrdo.

Příslušná vývojová deska se bude skládat ze tří hlavních částí. Jsou jimi dceřiná deska 3,3V kontroléru PFC, dceřiná deska 5V polovičního můstku GaN a konečně též základní deska. Motherboard zahrnuje filtr EMI, spouštěcí obvody, křemíkové MOSFETy pracující se síťovým kmitočtem, včetně obvodů pro buzení hradla, a také obvody pro snímání napětí a proudu. Pomocná deska kontroléru PFC přináší vývody pro vzorkování proudu, vstupního síťového a také výstupního napětí společně se čtveřicí PWM výstupů s pulzně-šířkovou modulací – dvou vedoucích směrem k polovičnímu můstku GaN a dalších dvou pak pro výše zmiňované vstupní křemíkové MOSFETy.

Vysoké kmitočty se spolu s vysokými výkony technologie GaN spojily i v případě bezdrátového nabíjení. Standardy, jako v případě AirFuel Alliance, si žádají spínací kmitočty 6,78 MHz a 13,56 MHz, kterých budeme s křemíkovými MOSFETy dosahovat jen obtížně. Prvky GaN však podporují jak spínání na vyšších frekvencích, tak též menší výsledné rozměry. Bezdrátové nabíječky se proto mohou vejít do malých 700W jednotek pro notebooky. Nic ale nebrání bezdrátovému nabíjení ani s vyššími výkony 3 kW, 7 kW nebo 11 kW, třeba pro elektrická vozidla.

Závěr

Technologie GaN začala mezi vf bezdrátovými aplikacemi, pak se přesunula do světa LED a nyní až ke zcela běžným návrhům z oblasti napájení. Její jedinečné charakteristiky se spojily a nabízí účinnost na úrovni 99 procent, která bude napříč celým systémem nezbytná k naplnění současných standardů pro napájecí zdroje.

A nedílnou součástí prostředků vývojáře se GaN stává také mezi přenosnou či nositelnou elektronikou, zvláště když v obou případech požadujeme od menších nabíječek stále vyšší výkony. A podobné to bude i v nastupující oblasti elektrovozidel, kde požadavky na účinné a zároveň velmi výkonné nabíjecí systémy budou ještě silnější a GaN jako klíčová technologie vynikne i zde. Od plug-in hybridů nebo též čistě elektrických vozidel až po novou generaci bezdrátově dobíjených aut, zde všude dostávají tranzistory GaN obrovský prostor k utváření budoucnosti automobilového průmyslu. Stejně jako řady jiných technických odvětví.