Jak wybrać tranzystory GaN dla aplikacji RF i motoryzacyjnych

Utworzono: wrzesień 13, 2021
Zaktualizowano: lipiec 1, 2024

Wszystkie urządzenia elektroniczne wymagają pewnego poziomu konwersji, regulacji i kondycjonowania mocy, ale rozmowy o efektywnej mocy nigdy nie były tak na pierwszym planie dyskusji w zaawansowanej technologii. Rozważania dotyczące dostarczania i konwersji mocy kiedyś koncentrowały się bardziej na hałasie i cieple, podczas gdy dzisiaj te rozważania skupiają się na dostosowanych strategiach dla zaawansowanych systemów. Kiedykolwiek masz potrzeby konwersji mocy, musisz również zapewnić jak najniższą możliwą dysypację ciepła, ponieważ jest to kluczowe dla niezawodności urządzenia.

Systemy bezprzewodowe to jeden z obszarów, gdzie bardzo wysoka efektywność mocy jest potrzebna przy minimalnej dysypacji mocy w stopniach wzmacniacza mocy i nadajnika. Z wiadomościami o modemach 5G w nowych smartfonach, które wyłączały się w 2019 roku, branża została skonfrontowana z problemami zarządzania ciepłem w systemach RF, zarówno pod względem zarządzania mocą, jak i dostarczania mocy RF. Dzisiaj, systemy zarządzania mocą w motoryzacji niosą podobne wyzwania, które wymagają innowacyjnych odpowiednich komponentów i innowacyjnych rozwiązań dla dostarczania i regulacji mocy.

Tranzystory GaN FET oferują rozwiązania w obu obszarach dzięki ich bardzo wysokim limitom mocy, wysokim limitom częstotliwości i wysokiej przewodności cieplnej do podłoża SiC lub Si. Tranzystory GaN FET stają się teraz bardziej powszechne, z wieloma modelami dostępnymi od głównych dystrybutorów. Pytanie brzmi, jak należy wybierać tranzystory GaN FET i jakie są ważne specyfikacje do rozważenia w systemach motoryzacyjnych w porównaniu z systemami RF? W tym przewodniku przyjrzymy się niektórym z tych ważnych punktów i pokażemy przykładowe komponenty, które są idealne dla każdego typu systemu.

Dlaczego używać tranzystorów GaN FET?

To pytanie sprowadza się do ważnych kryteriów używanych do wyboru tranzystorów GaN FET dla systemów motoryzacyjnych i urządzeń RF. Tranzystory GaN FET to tranzystory o wysokiej mobilności elektronów (HEMTs), których wyższe właściwości materiałowe i urządzeniowe czynią je idealnymi do bardziej zaawansowanych zastosowań w systemach zasilania motoryzacyjnego i urządzeniach RF. W pewnym sensie te dwa obszary zbiegają się w ogólnej konwersji mocy; te systemy zasilania pracują przy wysokich częstotliwościach przełączania, wysokim prądzie wyjściowym i często przy wysokim napięciu.

Następujące właściwości materiałowe tranzystorów GaN FET zapewniają ważne zalety w elektronice mocy RF i motoryzacyjnej:

Pole przebicia: GaN ma wyższe pole elektryczne przebicia niż Si (około 15x większe niż w Si), więc urządzenie GaN może pracować przy wyższych napięciach niż MOSFET Si tej samej wielkości.
Mobilność elektronów: Mobilność elektronów GaN jest wyższa niż Si, więc tranzystor GaN może być fizycznie mniejszy niż tranzystor Si o tej samej oporności R_ON.
Przewodność cieplna: GaN ma wyższą przewodność cieplną niż Si (około 2x większą), więc może bardziej efektywnie rozpraszać ciepło do swojego podłoża lub radiatora.
Pojemności: Pojemności między wejściami na tranzystorze GaN FET są mniejsze niż w MOSFET Si, gdy oba urządzenia mają mniej więcej tę samą wielkość fizyczną.

Istnieją dwie powszechne odmiany tranzystorów GaN FET: te wzrastające na Si oraz te na SiC. Przewodność cieplna SiC jest około 170% większa niż dla GaN, więc tranzystory GaN FET formowane przez heteroepitaksjalny wzrost GaN na SiC są preferowane w aplikacjach wysokiej mocy. W aplikacjach przełączających, takich jak wysokomocowe regulatory przełączające, możliwość uzyskania niższych pojemności i mniejszych wartości R_ON umożliwia bardzo szybkie dostarczanie mocy, z czasami narastania rzędu nanosekund.

Przykład pojemności wyjściowej i charakterystyk przełączania tranzystora GaN FET. Możliwe jest zaobserwowanie pewnego lekkiego dzwonienia przy podłączeniu do niskich obciążeń z powodu pasożytniczej indukcyjności podczas szybkiego przełączania z tymi komponentami.

Te charakterystyki oznaczają, że tranzystor GaN FET może być ogólnie używany na wysokiej częstotliwości i przy wyższej mocy jednocześnie, co jest potrzebne w elektronice mocy dla aplikacji RF i motoryzacyjnych. Głównym problemem w motoryzacji jest regulacja mocy i dostarczanie jej do systemu elektromechanicznego (silnika), podczas gdy w systemach RF problemem jest wysokosprawna regulacja mocy i dostarczanie jej do transceivera i wzmacniacza mocy. Istnieją inne aplikacje w konwersji mocy, gdzie można by argumentować, że te same charakterystyki zapewniałyby korzyści. Na przykład, nadchodzące systemy czystej energii mogą czerpać z systemów RF i implementować te same topologie używane do konwersji mocy i ładowania/rozładowywania w magazynowaniu energii.

W tym momencie, zagłębmy się głębiej w konwersję mocy wielofazową, aby zobaczyć niektóre z głównych wymagań operacyjnych dla tranzystorów GaN FET w zaawansowanych systemach mocy motoryzacyjnych i RF.

Konwersja mocy wysokiej częstotliwości

Kiedy mówimy „wysoka częstotliwość” w kontekście konwersji mocy, odnosimy się do częstotliwości przełączania, która jest ogólnie używana w sterowniku PWM lub, rzadziej, sterowniku PFM w przetwornicy przełączającej. Jeśli znasz przetwornice przełączające, to wiesz, że straty przełączania w MOSFET mogą być zredukowane, gdy komponent napędzający może przełączać się między stanami szybciej (niższy czas narastania). Ponadto, MOSFET, który może pracować na wyższych częstotliwościach modulacji, wyprodukuje mniejsze tętnienia na napięciu/wyjściowym prądzie. Pozwala to również na zmniejszenie rozmiaru systemu, ponieważ potrzebny byłby mniejszy induktor, aby osiągnąć określony cel tętnień.

Odpowiednio dobrany tranzystor GaN FET może spełnić te wymagania, pod warunkiem że szczytowe napięcie przejściowe, prąd przejściowy i specyfikacje czasu przełączania mogą być zrównoważone dla danej częstotliwości przełączania. W przypadku, gdy te trzy specyfikacje nie mogą być skompromitowane, projekt może być uruchomiony w konfiguracji wielofazowej, gdzie przetwornica działa z wieloma etapami równolegle, ale oddzielonymi równymi fazami. W ten sposób, przetwornica naśladuje przetwornicę o wyższej częstotliwości. W każdym etapie, wiele równoległych układów tranzystorów GaN FET może być użytych do dostarczenia bardzo wysokiego prądu w razie potrzeby.

TRANSLATE:

Przykładowa topologia przetwornicy przełączającej wielofazowej. Możesz przeczytać więcej na ten temat w jednym z moich ostatnich artykułów.

Praca w trybie wielofazowym w ten sposób wymaga starannego doboru komponentów w części wyjściowej każdego etapu. Dla systemów RF, te projekty powinny pracować na bardzo wysokich częstotliwościach rzędu ~10 MHz lub więcej. Ten dobór, jak również etap filtracji wyjściowej i sterowania, może być użyty do zapewnienia, że moc wyjściowa podąża za obwiednią nałożoną na przebieg napięcia/prądu wyjściowego przez sygnał bazowy. Aby zapobiec niechcianemu dzwonieniu lub oscylacjom między różnymi etapami, zazwyczaj używa się wysokonapięciowej diody, tak jak w przypadku równoległych układów MOSFETów dostarczających prąd jednocześnie w fazie. Etap kontrolera i sterownika w tego typu projekcie musi być starannie dobrany, tak aby mógł odpowiednio modulować tranzystory GaN FET, jednocześnie pracując w pętli sterowania, aby kompensować wszelkie przekroczenia napięcia lub spadki podczas działania.

Ważne specyfikacje

Dla ważnych obszarów zastosowań opisanych tutaj, istnieją cztery główne specyfikacje, które powinny być uwzględnione podczas projektowania i doboru komponentów:

Szczytowe napięcie dren-źródło (DC i przejściowe): Te wartości są potrzebne do dostarczania mocy DC z płynnym włączaniem, lub regulacji jako element przełączający z szybkim włączaniem. Należy zauważyć, że szczytowe napięcie przejściowe będzie określone dla określonego czasu impulsu
Szczytowy prąd (DC i przejściowy): Podobnie jak wartości szczytowego napięcia, wartość przejściowa będzie określona z określonym czasem impulsu odpowiadającym długości impulsu wyjściowego.
Napięcie bramki: Typowe napięcia bramki będą wymienione w karcie katalogowej komponentu, upewnij się, że sprawdziłeś te dane, aby GaN FET mógł być sterowany odpowiednim sterownikiem bramki. Typowe napięcia bramki mogą mieścić się w zakresie 10 do 20 V dla GaN FETów o szczytowym napięciu DC ~500-600 V z dużą zdolnością przenoszenia prądu.
Czasy przełączania dynamicznego: Te specyfikacje obejmują opóźnienie włączenia, czas narastania i czas odzyskiwania dla diody ciała. Dla GaN FETów, te wartości są rzędu 10-100 ns dzięki niższej pojemności obciążenia tych systemów.
Pojemności wejściowe/wyjściowe: Pasożytnicze pojemności na portach wejściowych i wyjściowych urządzenia są również ważne, ponieważ będą determinować interakcję z obciążeniami indukcyjnymi, co może prowadzić do niedotłumionego dzwonienia w przypadku, gdy obciążenie ma niską rezystancję. Zazwyczaj wystarczy dodać mały rezystor, aby krytycznie stłumić jakiekolwiek przejście na węźle przełączającym.

Uważaj na pojemności wejściowe i wyjściowe w każdym tranzystorze MOSFET, w tym w GaN FET, podczas sterowania obciążeniem indukcyjnym. W szczególności, nie myśl, że możesz po prostu wyregulować drgania na węźle przełączającym za pomocą pętli sprzężenia zwrotnego i algorytmu sterowania. Twój układ sterownika bramki prawdopodobnie nie będzie w stanie skompensować tych drgań, chyba że zaimplementowałeś sterowanie w szybkim MCU lub FPGA, co jest nadmiernie kosztowne. Zamiast tego, możesz uruchomić te urządzenia z wyższą częstotliwością i użyć mniejszego induktora, co nadal pomoże Ci osiągnąć cel dotyczący tętnień.

Przykład GaN FET i sterownika bramki

Nexperia, GAN063-650WSAQ

GAN063-650WSAQ od Nexperia jest doskonałym przykładem uniwersalnego tranzystora GaN FET. Ten komponent przełącza się z napięciem bramki do 20 V z szybkim czasem załączania 57 ns (10 ns czas wzrostu wyjścia). Przy tylko 10 V napięcia bramki, ten FET zapewnia 34,5 A w DC, z maksymalnym prądem przejściowym 150 A przy szybkim pulsowaniu poniżej 10 mikrosekund. Rezystancja w stanie ON wynosi tylko 50 mOhm w temperaturze pokojowej, i wzrasta tylko do 120 mOhm przy 175 °C. Maksymalne napięcie dren-źródło w DC w tym komponencie osiąga 650 V. Poniżej przedstawiono charakterystyki prądu drenu.

Charakterystyka prądu drenu w GaN FET GAN063-650WSAQ.

Prąd drenu w GaN FET GAN063-650WSAQ. [Źródło: Karta katalogowa GAN063-650WSAQ]

Infineon, 2EDN7524FXTMA1

2EDN7524FXTMA1 od Infineon to układ sterownika bramki, który może być używany z tranzystorami GaN FET. Ten komponent zapewnia szybkie szybkości narastania 5 ns i opóźnienie propagacji 17 ns dla szybkiego przełączania GaN, co czyni go użytecznym w regulatorach przełączających w systemach RF. Ten komponent to dwukanałowy sterownik, który może współpracować z cyfrowym kontrolerem ASIC. Napięcia wyjściowe osiągają do 20 V przy typowych czasach narastania 5,3 ns (maksymalnie 10 ns, pojemność obciążenia 1,8 nF, napięcie drenu 12 V).

Przykładowy układ aplikacyjny dla sterownika GaN FET 2EDN7524FXTMA1. [Źródło: Karta katalogowa 2EDN7524FXTMA1]

Inne komponenty dla systemów z GaN FET

Tranzystory GaN FET są jednym z ważnych elementów budulcowych dla regulacji i dostarczania mocy w systemach mocy RF i systemach mocy samochodowych. Jednakże, będziesz potrzebować innych komponentów do zbudowania swojego systemu i zapewnienia niezawodnej regulacji mocy. Niektóre z innych komponentów, których będziesz potrzebować dla tych systemów, to:

Kiedy potrzebujesz znaleźć najnowsze tranzystory GaN FET i komponenty wspierające dla systemów zasilania, użyj zaawansowanych funkcji wyszukiwania i filtracji w Octopart. Korzystając z wyszukiwarki elektroniki Octopart, uzyskasz dostęp do aktualnych danych cenowych dystrybutorów, zapasów części oraz specyfikacji części, a wszystko to jest swobodnie dostępne w przyjaznym interfejsie. Zobacz naszą stronę z układami scalonymi, aby znaleźć potrzebne komponenty.

Bądź na bieżąco z naszymi najnowszymi artykułami, zapisując się na nasz newsletter.