Wie man GaN FETs für RF- und Automobilanwendungen auswählt

Erstellt: September 13, 2021
Aktualisiert am: Juli 1, 2024

Alle Elektronik benötigt eine gewisse Form der Leistungsumwandlung, -regelung und -konditionierung, aber die Gespräche über effiziente Energie waren noch nie so im Vordergrund der Diskussion in fortschrittlicher Technologie. Überlegungen zur Energieversorgung und -umwandlung konzentrierten sich früher mehr auf Lärm und Wärme, während sich diese Überlegungen heute auf maßgeschneiderte Strategien für fortschrittliche Systeme konzentrieren. Wann immer Sie Bedarf an Leistungsumwandlung haben, müssen Sie auch sicherstellen, dass die Wärmeabgabe so gering wie möglich ist, da dies für die Zuverlässigkeit des Geräts entscheidend ist.

Drahtlose Systeme sind ein Bereich, in dem eine sehr hohe Energieeffizienz mit minimaler Leistungsabgabe in Leistungsverstärker- und Senderstufen benötigt wird. Mit Nachrichten über 5G-Modems in neuen Smartphones, die 2019 aufgrund der Hitze abgeschaltet wurden, wurde die Branche mit Wärmemanagementproblemen in HF-Systemen konfrontiert, sowohl in Bezug auf das Energiemanagement als auch auf die HF-Energieversorgung. Heute tragen Automobil-Energiemanagementsysteme ähnliche Herausforderungen, die die richtigen Komponenten und innovative Lösungen für die Energieversorgung und -regelung erfordern.

GaN FETs bieten Lösungen in beiden Bereichen dank ihrer sehr hohen Leistungsgrenzen, hohen Frequenzgrenzen und hohen Wärmeleitfähigkeit in ein SiC- oder Si-Substrat. GaN FETs werden nun immer verbreiteter, mit vielen Modellen, die von großen Distributoren zugänglich sind. Die Frage ist, wie sollten GaN FETs ausgewählt werden und welche Spezifikationen sind in Automobil- vs. HF-Systemen wichtig zu betrachten? In diesem Leitfaden werden wir einige dieser wichtigen Punkte untersuchen und einige Beispielkomponenten zeigen, die für jeden Systemtyp ideal sind.

Warum GaN FETs verwenden?

Diese Frage führt zu den wichtigen Kriterien, die zur Auswahl von GaN FETs für Automobilsysteme und HF-Geräte verwendet werden. GaN FETs sind Hoch-Elektronen-Mobilitäts-Transistoren (HEMTs), deren überlegene Material- und Geräteeigenschaften sie ideal für fortschrittlichere Anwendungen in Automobil-Energiesystemen und HF-Geräten machen. In gewisser Weise konvergieren diese beiden Bereiche in der Leistungsumwandlung im Allgemeinen; diese Energiesysteme arbeiten mit hohen Schaltfrequenzen, hohen Ausgangsströmen und oft bei hoher Spannung.

Die folgenden Materialeigenschaften von GaN FETs bieten wichtige Vorteile in HF- und Automobil-Leistungselektronik:

Durchbruchfeld: GaN hat ein höheres elektrisches Durchbruchfeld als Si (ungefähr 15x so groß wie das in Si), sodass ein GaN-Gerät bei höheren Spannungen als ein Si-MOSFET derselben Größe betrieben werden kann.
Elektronenmobilität: Die Elektronenmobilität von GaN ist höher als die von Si, sodass ein GaN-Transistor physisch kleiner sein kann als ein Si-Transistor mit demselben R_ON-Widerstand.
Wärmeleitfähigkeit: GaN hat eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Si (ungefähr 2x so groß), sodass es Wärme effizienter in sein Substrat oder einen Kühlkörper ableiten kann.
Kapazitäten: Die Kapazitäten zwischen Eingängen eines GaN FET sind kleiner als die in einem Si-MOSFET, wenn die beiden Geräte ungefähr dieselbe physische Größe haben.

Es gibt zwei gängige Arten von GaN FETs: solche, die auf Si gewachsen sind, und solche auf SiC. Die Wärmeleitfähigkeit von SiC beträgt etwa 170 % der von GaN, daher werden GaN FETs, die durch heteroepitaktisches Wachstum von GaN auf SiC gebildet werden, in Hochleistungsanwendungen bevorzugt. Für Schaltanwendungen, wie z.B. Hochleistungsschaltregler, ermöglicht die Möglichkeit niedrigerer Kapazitäten und kleinerer R_ON-Werte eine sehr schnelle Energiebereitstellung, mit Anstiegszeiten in der Größenordnung von Nanosekunden.

Beispiel GaN FET Ausgangskapazität und Schaltcharakteristiken. Es ist möglich, ein leichtes Klingeln bei Anschluss an niedrige Lasten aufgrund parasitärer Induktivität während des schnellen Schaltens mit diesen Komponenten zu beobachten.

Diese Eigenschaften bedeuten, dass ein GaN FET im Allgemeinen gleichzeitig mit hoher Frequenz und höherer Leistung betrieben werden kann, beides ist in der Leistungselektronik für RF- und Automobilanwendungen erforderlich. Die Hauptanforderung im Automobilbereich ist die Leistungsregelung und -versorgung eines elektromechanischen Systems (des Motors), während bei RF-Systemen eine hocheffiziente Leistungsregelung und -versorgung für einen Transceiver und Leistungsverstärker wichtig ist. Es gibt auch andere Anwendungen in der Leistungsumwandlung, bei denen man argumentieren könnte, dass die gleichen Eigenschaften Vorteile bieten würden. Zum Beispiel können kommende saubere Energiesysteme von RF-Systemen lernen und die gleichen Topologien für Leistungsumwandlung und Laden/Entladen in Energiespeichern implementieren.

An diesem Punkt wollen wir tiefer in die mehrphasige Leistungsumwandlung eintauchen, um einige der Hauptbetriebsanforderungen für GaN FETs in fortschrittlichen Automobil- und RF-Leistungssystemen zu sehen.

Hochfrequenz-Leistungsumwandlung

Wenn wir von „Hochfrequenz“ in Bezug auf Leistungsumwandlung sprechen, beziehen wir uns auf die Schaltfrequenz, die allgemein in einem PWM-Treiber oder, weniger häufig, einem PFM-Treiber in einem Schaltwandler verwendet wird. Wenn Sie mit Schaltwandlern vertraut sind, dann wissen Sie, dass Schaltverluste in einem MOSFET reduziert werden können, wenn die treibende Komponente schneller zwischen Zuständen wechseln kann (niedrigere Anstiegszeit). Darüber hinaus kann ein MOSFET, der mit höheren Modulationsfrequenzen betrieben wird, eine geringere Welligkeit auf der Ausgangsspannung/-strom erzeugen. Es ermöglicht auch eine Reduzierung der Systemgröße, da eine kleinere Induktivität benötigt würde, um ein spezifisches Welligkeitsziel zu erreichen.

Ein angemessen dimensionierter GaN FET kann diese Anforderungen erfüllen, solange die Spitzen-Transientenspannung, Transientenstrom und Schaltzeit-Spezifikationen für eine gegebene Schaltfrequenz ausgeglichen werden können. Falls diese drei Spezifikationen nicht kompromittiert werden können, kann ein Design in einer mehrphasigen Konfiguration betrieben werden, bei der der Wandler mit mehreren Stufen parallel, aber durch gleiche Phasen getrennt, arbeitet. Auf diese Weise ahmt der Wandler einen Hochfrequenzwandler nach. Innerhalb jeder Stufe können mehrere parallele Anordnungen von GaN FETs verwendet werden, um bei Bedarf sehr hohe Ströme zu liefern.

Beispiel für eine mehrphasige Schaltwandler-Topologie. Mehr darüber können Sie in einem meiner jüngsten Artikel lesen.

Der Betrieb in mehrphasiger Ausführung auf diese Weise erfordert eine sorgfältige Auswahl der Komponenten im Ausgangsteil jeder Stufe. Für RF-Systeme sollten diese Entwürfe bis zu sehr hohen Frequenzen von ~10 MHz oder mehr laufen. Diese Auswahl sowie eine Ausgangsfilterung und Steuerstufe können verwendet werden, um sicherzustellen, dass die Ausgangsleistung der auf die Ausgangsspannung/-strom-Welleform durch das Basisbandsignal auferlegten Hüllkurve folgt. Um unerwünschtes Klingeln oder Schwingungen zwischen verschiedenen Stufen zu verhindern, wird normalerweise eine Hochspannungsdiode verwendet, genau wie man es bei in-Phase parallelen Anordnungen von MOSFETs tun würde, die gleichzeitig Strom liefern. Die Steuer- und Treiberstufe in diesem Typ von Design muss sorgfältig ausgewählt werden, sodass sie die GaN FETs ausreichend modulieren können, während sie auch innerhalb einer Regelungsschleife arbeiten, um jegliche Überspannung oder Ausfall während des Betriebs zu kompensieren.

Wichtige Spezifikationen

Für die hier umrissenen wichtigen Anwendungsbereiche gibt es vier Hauptspezifikationen, die während des Designs und der Komponentenauswahl Beachtung finden sollten:

Spitzen-Drain-zu-Source-Spannung (DC und transient): Diese Werte sind für die DC-Stromversorgung mit sanftem Einschalten oder als Schaltelement mit schnellem Einschalten bei der Regelung erforderlich. Beachten Sie, dass die transiente Spitzenspannung für eine spezifische Impulszeit angegeben wird.
Spitzenstrom (DC und transient): Wie bei den Spitzen-Spannungswerten wird der transiente Wert mit einer spezifischen Impulszeit angegeben, die der Länge des Ausgangsimpulses entspricht.
Gate-Spannung: Typische Gate-Spannungen werden im Datenblatt der Komponente aufgeführt, stellen Sie sicher, dass diese überprüft werden, damit ein GaN FET mit dem passenden Gate-Treiber betrieben werden kann. Typische Gate-Spannungen können im Bereich von 10 bis 20 V für ~500-600 V DC Spitzen-GaN FETs mit hoher Strombelastbarkeit liegen.
Dynamische Schaltzeiten: Diese Spezifikationen umfassen Einschaltverzögerung, Anstiegszeit und Rückwärts-Erholzeit für die Body-Diode. Bei GaN FETs liegen diese Werte aufgrund der geringeren Lastkapazität dieser Systeme in der Größenordnung von 10-100 ns.
Eingangs-/Ausgangskapazitäten: Parasitäre Kapazitäten an den Ein- und Ausgangsports des Geräts sind ebenfalls wichtig, da sie die Interaktion mit induktiven Lasten bestimmen werden, was möglicherweise zu unterdämpftem Klingeln führt, falls die Last einen geringen Widerstand hat. Typischerweise ist es ausreichend, einen kleinen Widerstand hinzuzufügen, um jeden Übergang am Schaltpunkt kritisch zu dämpfen.

Achten Sie auf die Eingangs- und Ausgangskapazitäten bei jedem Leistungs-MOSFET, einschließlich eines GaN FET, wenn Sie eine induktive Last treiben. Insbesondere sollten Sie nicht denken, dass Sie das Klingeln an einem Schaltpunkt einfach durch eine Rückkopplungsschleife und einen Steueralgorithmus regulieren können. Ihr Gate-Treiber-IC wird wahrscheinlich nicht in der Lage sein, dieses Klingeln zu kompensieren, es sei denn, Sie haben die Steuerung in einem schnellen MCU oder FPGA implementiert, was übermäßig kostspielig ist. Stattdessen können Sie diese Geräte mit höherer Frequenz betreiben und eine kleinere Induktivität verwenden, was Ihnen immer noch hilft, Ihr Ripple-Ziel zu erreichen.

Beispiel GaN FET und Gate-Treiber

Nexperia, GAN063-650WSAQ

Der GAN063-650WSAQ von Nexperia ist ein ausgezeichnetes Beispiel für einen allgemeinen GaN FET. Dieses Bauteil schaltet mit bis zu 20 V Gate-Spannung mit einer schnellen Einschaltzeit von 57 ns (10 ns Ausgangsanstiegszeit). Bei nur 10 V Gate-Spannung liefert dieser FET 34,5 A in DC, mit einem Spitzen-Transientenstrom von 150 A bei schnellen Impulsen von weniger als 10 Mikrosekunden. Der Widerstand im eingeschalteten Zustand beträgt nur 50 mOhm bei Raumtemperatur und steigt nur bis zu 120 mOhm bei 175 °C an. Die Spitzen-DC-Drain-Source-Spannung in diesem Bauteil erreicht 650 V. Die Ausgangsdrainstromcharakteristiken sind unten dargestellt.

Drainstrom im GAN063-650WSAQ GaN FET. [Quelle: GAN063-650WSAQ Datenblatt]

Infineon, 2EDN7524FXTMA1

Der 2EDN7524FXTMA1 von Infineon ist ein Gate-Treiber-IC, der mit GaN FETs verwendet werden kann. Dieses Bauteil bietet schnelle Anstiegsraten von 5 ns und eine Verzögerungszeit von 17 ns für schnelles GaN-Schalten, was es nützlich für Schaltregler in RF-Systemen macht. Dieses Bauteil ist ein Dual-Channel-Treiber, der mit einem digitalen Controller-ASIC Schnittstelle bieten kann. Die Ausgangsspannungen erreichen bis zu 20 V mit typischen Anstiegszeiten von 5,3 ns (10 ns maximal, 1,8 nF Lastkapazität, 12 V Drain-Spannung).

Beispielanwendungsschaltung für den 2EDN7524FXTMA1 GaN FET Treiber-IC. [Quelle: 2EDN7524FXTMA1 Datenblatt]

Weitere Komponenten für Systeme mit GaN FETs

GaN FETs sind einer der wichtigen Bausteine für die Leistungsregelung und -versorgung in RF-Leistungssystemen und automobilen Stromsystemen. Sie benötigen jedoch weitere Komponenten, um Ihr System zu bauen und eine zuverlässige Leistungsregelung zu gewährleisten. Einige der anderen Komponenten, die Sie für diese Systeme benötigen, umfassen:

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