Как выбрать GaN FET для радиочастотных и автомобильных приложений

Создано: 13 Сентября, 2021
Обновлено: 1 Июля, 2024

Все электронные устройства нуждаются в некотором уровне преобразования, регулирования и кондиционирования мощности, но обсуждения эффективности питания никогда не были так актуальны, как сейчас, в контексте передовых технологий. Раньше вопросы доставки и преобразования энергии больше касались шума и тепла, тогда как сегодня эти вопросы сосредоточены на разработке специализированных стратегий для передовых систем. Всякий раз, когда вам нужно преобразование мощности, вам также необходимо обеспечить минимальное тепловыделение, поскольку это критически важно для надежности устройства.

Беспроводные системы - это одна из областей, где требуется очень высокая энергоэффективность с минимальным рассеиванием мощности на стадиях усилителя мощности и передатчика. С новостями о выключении модемов 5G в новых смартфонах в 2019 году из-за перегрева, индустрия столкнулась с проблемами управления теплом в РЧ-системах, как с точки зрения управления мощностью, так и доставки РЧ-мощности. Сегодня системы управления мощностью в автомобилях сталкиваются с аналогичными проблемами, которые требуют инновационных компонентов и решений для доставки и регулирования мощности.

Транзисторы GaN FET предлагают решения в обеих областях благодаря их очень высоким пределам мощности, высоким частотным пределам и высокой теплопроводности в подложку SiC или Si. Транзисторы GaN FET становятся все более распространенными, многие модели доступны у крупных дистрибьюторов. Вопрос в том, как следует выбирать GaN FET и какие важные характеристики следует учитывать в автомобильных системах по сравнению с РЧ-системами? В этом руководстве мы рассмотрим некоторые из этих важных моментов и покажем примеры компонентов, идеально подходящих для каждого типа системы.

Почему использовать GaN FET?

Этот вопрос касается важных критериев, используемых для выбора GaN FET для автомобильных систем и РЧ-устройств. GaN FET - это транзисторы с высокой подвижностью электронов (HEMT), чьи превосходные материальные и устройственные свойства делают их идеальными для более передовых приложений в автомобильных системах питания и РЧ-устройствах. В некотором смысле, эти две области сходятся в общем преобразовании мощности; эти системы питания работают на высоких частотах коммутации, высоком выходном токе и часто на высоком напряжении.

Следующие материальные характеристики GaN FET обеспечивают важные преимущества в РЧ и автомобильной электронике мощности:

Электрическое поле пробоя: GaN имеет более высокое электрическое поле пробоя, чем Si (примерно в 15 раз больше, чем у Si), поэтому устройство GaN может работать при более высоких напряжениях, чем Si MOSFET того же размера.
Подвижность электронов: Подвижность электронов у GaN выше, чем у Si, поэтому транзистор GaN может быть физически меньше, чем транзистор Si с тем же сопротивлением R_ON.
Теплопроводность: GaN имеет более высокую теплопроводность, чем Si (примерно в 2 раза больше), поэтому он может более эффективно рассеивать тепло в свою подложку или радиатор.
Емкости: Емкости между входами на GaN FET меньше, чем у Si MOSFET, когда два устройства имеют примерно одинаковый физический размер.

Существует два распространенных вида GaN FET: выращенные на Si и на SiC. Теплопроводность SiC примерно на 170% выше, чем у GaN, поэтому GaN FET, полученные путем гетероэпитаксиального роста GaN на SiC, предпочтительнее в приложениях с высокой мощностью. Для коммутационных приложений, таких как высокомощные коммутационные регуляторы, возможность иметь более низкие емкости и меньшие значения R_ON позволяет достигать очень быстрой подачи питания, с временем нарастания порядка наносекунд.

Пример выходной емкости GaN FET и характеристик коммутации. Можно наблюдать некоторое легкое дребезжание при подключении к низким нагрузкам из-за паразитной индуктивности во время быстрой коммутации с этими компонентами.

Эти характеристики означают, что GaN FET в целом может работать на высокой частоте и при высокой мощности одновременно, что необходимо в электронике мощности для радиочастотных и автомобильных приложений. Основная задача в автомобильной промышленности - регулирование мощности и ее подача к электромеханической системе (двигателю), в то время как в радиочастотных системах задача заключается в высокоэффективном регулировании мощности и ее подаче к приемопередатчику и усилителю мощности. Существуют и другие приложения в преобразовании мощности, где, как можно было бы утверждать, те же характеристики принесли бы пользу. Например, предстоящие системы чистой энергии могут взять на вооружение системы РЧ и реализовать те же топологии, что используются для преобразования мощности и зарядки/разрядки в системах хранения энергии.

На этом этапе давайте более подробно рассмотрим многофазное преобразование мощности, чтобы увидеть некоторые основные требования к GaN FET в передовых автомобильных и радиочастотных системах мощности.

Преобразование мощности высокой частоты

Когда мы говорим о «высокой частоте» в контексте преобразования мощности, мы имеем в виду коммутационную частоту, обычно используемую в драйвере ШИМ или, реже, драйвере ЧИМ в коммутационном преобразователе. Если вы знакомы с коммутационными преобразователями, то знаете, что коммутационные потери в MOSFET можно снизить, если компонент управления может переключаться между состояниями быстрее (меньшее время нарастания). Кроме того, MOSFET, способный работать на более высоких модуляционных частотах, будет производить меньшие пульсации на выходном напряжении/токе. Это также позволяет уменьшить размер системы, поскольку для достижения определенной цели по пульсациям потребуется меньший индуктор.

Подходящий по размеру GaN FET может удовлетворить эти требования, если можно сбалансировать пиковое переходное напряжение, переходный ток и время коммутации для данной коммутационной частоты. В случае, если эти три спецификации невозможно скомпрометировать, дизайн может быть выполнен в многофазной конфигурации, где преобразователь работает с несколькими стадиями параллельно, но разделенными равными фазами. Таким образом, преобразователь имитирует преобразователь с более высокой частотой. На каждой стадии можно использовать несколько параллельных конфигураций GaN FET для обеспечения очень высокого тока по мере необходимости.

Пример топологии многофазного коммутируемого преобразователя. Подробнее об этом вы можете прочитать в одной из моих последних статей.

Работа в многофазном режиме таким образом требует тщательного выбора компонентов на выходной части каждой стадии. Для РЧ систем эти конструкции должны работать на очень высоких частотах ~10 МГц или выше. Этот выбор, а также выходная фильтрация и управляющая стадия могут быть использованы для обеспечения соответствия выходной мощности огибающей, наложенной на форму выходного напряжения/тока волновым сигналом базовой полосы. Для предотвращения нежелательных колебаний или осцилляций между различными стадиями обычно используется высоковольтный диод, как и при параллельном соединении МОП-транзисторов, одновременно подающих ток. Управляющая и драйверская стадии в таком дизайне должны быть тщательно подобраны таким образом, чтобы они могли достаточно модулировать GaN FET, работая при этом в управляющем контуре для компенсации любого перенапряжения или сбоя во время работы.

Важные характеристики

Для важных областей применения, описанных здесь, существуют четыре основные характеристики, на которые следует обратить внимание при проектировании и выборе компонентов:

Пиковое напряжение стока к истоку (постоянное и переходное): Эти значения необходимы для поставки постоянного тока с плавным включением или регулированием как коммутирующего элемента с быстрым включением. Обратите внимание, что пиковое переходное напряжение будет указано для определенного времени импульса.
Пиковый ток (постоянный и переходный): Так же, как и значения пикового напряжения, переходное значение будет указано с определенным временем импульса, соответствующим длительности выходного импульса.
Напряжение затвора: Типичные напряжения затвора будут указаны в техническом описании компонента, убедитесь, что вы проверили эти данные, чтобы GaN FET мог быть управляем с подходящим драйвером затвора. Типичные напряжения затвора могут находиться в диапазоне 10 до 20 В для GaN FET с пиковым напряжением ~500-600 В постоянного тока и высокой токовой нагрузкой.
Динамические времена коммутации: Эти характеристики включают задержку включения, время нарастания и время обратного восстановления для диода корпуса. Для GaN FET эти значения составляют порядка 10-100 нс благодаря меньшей емкостной нагрузке этих систем.
Входные/выходные емкости: Паразитные емкости на входных и выходных портах устройства также важны, поскольку они будут определять взаимодействие с индуктивными нагрузками, что может привести к недостаточно затухающим колебаниям в случае, если нагрузка имеет низкое сопротивление. Обычно достаточно добавить небольшой резистор, чтобы критически затушить любой переход на коммутирующем узле.

Будьте внимательны к входной и выходной емкостям в любом силовом MOSFET, включая GaN FET, при управлении индуктивной нагрузкой. В частности, не думайте, что вы можете просто регулировать звон на коммутационном узле через обратную связь и алгоритм управления. Ваш драйвер затвора, скорее всего, не сможет компенсировать этот звон, если только вы не реализовали управление в быстром MCU или FPGA, что чрезмерно дорого. Вместо этого, вы можете запустить эти устройства на более высокой частоте и использовать меньший индуктор, что все равно поможет вам достичь цели по пульсациям.

Пример GaN FET и драйвера затвора

Nexperia, GAN063-650WSAQ

GAN063-650WSAQ от Nexperia является отличным примером универсального GaN FET. Этот компонент переключается при напряжении затвора до 20 В с быстрым временем включения 57 нс (время нарастания выходного сигнала 10 нс). При напряжении затвора всего 10 В, этот FET обеспечивает 34,5 А постоянного тока, с пиковым переходным током 150 А при быстром импульсе менее 10 микросекунд. Сопротивление в открытом состоянии составляет всего 50 мОм при комнатной температуре и повышается только до 120 мОм при 175 °C. Пиковое напряжение стока-истока в этом компоненте достигает 650 В. Ниже показаны характеристики тока стока.

Ток стока в GaN FET GAN063-650WSAQ. [Источник: Техническое описание GAN063-650WSAQ]

Infineon, 2EDN7524FXTMA1

2EDN7524FXTMA1 от Infineon - это драйвер затвора IC, который может использоваться с GaN FET. Этот компонент обеспечивает быстрые скорости нарастания сигнала 5 нс и задержку распространения 17 нс для быстрого переключения GaN, что делает его полезным в коммутационных регуляторах в системах РЧ. Этот компонент является двухканальным драйвером, который может взаимодействовать с цифровым контроллером ASIC. Выходные напряжения достигают до 20 В при типичных временах нарастания сигнала 5,3 нс (максимум 10 нс, емкость нагрузки 1,8 нФ, напряжение стока 12 В).

Пример схемы применения для драйвера IC GaN FET 2EDN7524FXTMA1. [Источник: Техническое описание 2EDN7524FXTMA1]

Другие компоненты для систем с GaN FET

GaN FET являются одним из важных элементов для регулирования и доставки мощности в системах РЧ мощности и автомобильных энергосистемах. Однако, вам понадобятся другие компоненты для построения вашей системы и обеспечения надежного регулирования мощности. Некоторые другие компоненты, которые вам понадобятся для этих систем, включают:

Когда вам нужно найти новейшие GaN FET и поддерживающие компоненты для систем питания, используйте расширенные функции поиска и фильтрации на Octopart. Используя поисковую систему электронных компонентов Octopart, вы получите доступ к актуальным данным о ценах дистрибьюторов, инвентаризации компонентов и спецификациям деталей, и все это доступно в удобном интерфейсе. Посмотрите нашу страницу с интегральными схемами, чтобы найти необходимые вам компоненты.

Оставайтесь в курсе наших последних статей, подписавшись на нашу рассылку.