Cách Chọn GaN FETs cho Ứng dụng RF và Ô tô

Created: Tháng Chín 13, 2021
Updated: Tháng Bảy 1, 2024

Tất cả các thiết bị điện tử đều cần một mức độ chuyển đổi, điều chỉnh và điều kiện nguồn điện nhất định, nhưng cuộc thảo luận về nguồn điện hiệu quả chưa bao giờ được đặt lên hàng đầu trong công nghệ tiên tiến như hiện nay. Các vấn đề về cung cấp và chuyển đổi nguồn điện trước đây thường tập trung nhiều hơn vào tiếng ồn và nhiệt độ, trong khi ngày nay, những vấn đề này giờ đây tập trung vào các chiến lược được thiết kế riêng cho các hệ thống tiên tiến. Bất cứ khi nào bạn cần chuyển đổi nguồn điện, bạn cũng cần đảm bảo tỏa nhiệt thấp nhất có thể vì điều này rất quan trọng đối với độ tin cậy của thiết bị.

Hệ thống không dây là một lĩnh vực cần hiệu suất nguồn điện rất cao với sự tỏa nhiệt tối thiểu trong các giai đoạn khuếch đại và truyền tải nguồn điện. Với tin tức về modem 5G trong các điện thoại thông minh mới bị tắt vào năm 2019, ngành công nghiệp đã phải đối mặt với vấn đề quản lý nhiệt trong các hệ thống RF, cả về quản lý nguồn điện và cung cấp nguồn điện RF. Ngày nay, các hệ thống quản lý nguồn điện ô tô mang lại những thách thức tương tự, đòi hỏi các linh kiện đúng đắn và giải pháp sáng tạo cho việc cung cấp và điều chỉnh nguồn điện.

GaN FETs cung cấp giải pháp trong cả hai lĩnh vực nhờ vào giới hạn công suất cao, giới hạn tần số cao và khả năng dẫn nhiệt cao vào một nền SiC hoặc Si. GaN FETs giờ đây đang trở nên phổ biến hơn, với nhiều mô hình có thể truy cập từ các nhà phân phối lớn. Câu hỏi là, GaN FETs nên được lựa chọn như thế nào và những thông số quan trọng cần xem xét trong hệ thống ô tô so với hệ thống RF là gì? Trong hướng dẫn này, chúng tôi sẽ xem xét một số điểm quan trọng này và giới thiệu một số linh kiện mẫu lý tưởng cho từng loại hệ thống.

Tại sao sử dụng GaN FETs?

Câu hỏi này đưa ra các tiêu chí quan trọng được sử dụng để chọn GaN FETs cho hệ thống ô tô và thiết bị RF. GaN FETs là các transistor di động electron cao (HEMTs) có các tính chất vật liệu và thiết bị vượt trội, làm cho chúng trở nên lý tưởng cho các ứng dụng tiên tiến hơn trong hệ thống nguồn điện ô tô và thiết bị RF. Ở một số khía cạnh, hai lĩnh vực này hội tụ trong chuyển đổi nguồn điện nói chung; các hệ thống nguồn điện này hoạt động ở tần số chuyển mạch cao, dòng điện ra cao và thường ở điện áp cao.

Các đặc tính vật liệu sau của GaN FETs cung cấp những lợi thế quan trọng trong điện tử nguồn điện RF và ô tô:

Trường phá hủy: GaN có trường điện phá hủy cao hơn Si (khoảng 15 lần so với Si), vì vậy một thiết bị GaN có thể hoạt động ở điện áp cao hơn so với một MOSFET Si cùng kích thước.
Độ di động electron: Độ di động electron của GaN cao hơn so với Si, vì vậy một transistor GaN có thể nhỏ hơn về mặt vật lý so với một transistor Si với cùng một điện trở R_ON.
Dẫn nhiệt: GaN có khả năng dẫn nhiệt cao hơn Si (khoảng 2 lần), vì vậy nó có thể tỏa nhiệt hiệu quả hơn vào nền của nó hoặc một tản nhiệt.
Điện dung: Các điện dung giữa các đầu vào trên một GaN FET nhỏ hơn so với một MOSFET Si khi hai thiết bị có kích thước vật lý xấp xỉ nhau.

Có hai loại phổ biến của GaN FET: loại được nuôi trên Si và loại trên SiC. Độ dẫn nhiệt của SiC khoảng 170% so với GaN, vì vậy GaN FET được hình thành qua quá trình tăng trưởng heteroepitaxial của GaN trên SiC được ưa chuộng trong các ứng dụng công suất cao. Đối với các ứng dụng chuyển mạch, như các bộ điều chỉnh công suất cao, khả năng có dung lượng thấp hơn và giá trị R_ON nhỏ hơn cho phép cung cấp công suất rất nhanh, với thời gian tăng trên cấp độ nanogiây.

Ví dụ về dung lượng đầu ra và đặc tính chuyển mạch của GaN FET. Có thể quan sát thấy một số hiện tượng rung nhẹ khi kết nối với tải thấp do cảm kháng nhiễu trong quá trình chuyển mạch nhanh với các linh kiện này.

Những đặc tính này có nghĩa là GaN FET có thể hoạt động ở tần số cao và công suất cao đồng thời, cả hai đều cần thiết trong điện tử công suất cho các ứng dụng RF và ô tô. Mối quan tâm chính trong ô tô là điều chỉnh và cung cấp công suất cho hệ thống điện cơ (động cơ), trong khi mối quan tâm trong hệ thống RF là điều chỉnh và cung cấp công suất hiệu quả cao cho bộ thu phát và bộ khuếch đại công suất. Có những ứng dụng khác trong chuyển đổi công suất nơi mà, người ta có thể tranh luận, cùng một đặc tính sẽ cung cấp lợi ích. Ví dụ, các hệ thống năng lượng sạch sắp tới có thể học hỏi từ hệ thống RF và áp dụng cùng một cấu trúc được sử dụng cho chuyển đổi công suất và sạc/phóng trong lưu trữ năng lượng.

Ở thời điểm này, hãy đi sâu hơn vào chuyển đổi công suất đa pha để xem một số yêu cầu hoạt động chính cho GaN FET trong các hệ thống công suất ô tô và RF tiên tiến.

Chuyển Đổi Công Suất Tần Số Cao

Khi chúng ta nói "tần số cao" trong bối cảnh chuyển đổi công suất, chúng ta đang đề cập đến tần số chuyển mạch thường được sử dụng trong một trình điều khiển PWM hoặc, ít phổ biến hơn, một trình điều khiển PFM trong một bộ chuyển đổi chuyển mạch. Nếu bạn quen thuộc với bộ chuyển đổi chuyển mạch, thì bạn biết rằng tổn thất chuyển mạch trong một MOSFET có thể được giảm khi linh kiện điều khiển có thể chuyển đổi giữa các trạng thái nhanh hơn (thời gian tăng thấp hơn). Ngoài ra, một MOSFET có thể hoạt động ở tần số điều chế cao hơn sẽ tạo ra ít sóng giả mạo hơn trên điện áp/ dòng điện đầu ra. Nó cũng cho phép giảm kích thước hệ thống vì cần một cuộn cảm nhỏ hơn để đạt được mục tiêu sóng giả mạo cụ thể.

Một GaN FET có kích thước phù hợp có thể đáp ứng những yêu cầu này miễn là điện áp xung đỉnh, dòng điện xung đỉnh, và thông số thời gian chuyển mạch có thể được cân bằng cho một tần số chuyển mạch nhất định. Trong trường hợp ba thông số này không thể thỏa hiệp, một thiết kế có thể được vận hành trong cấu hình đa pha, nơi bộ chuyển đổi hoạt động với nhiều giai đoạn song song, nhưng được tách biệt bởi các pha bằng nhau. Theo cách này, bộ chuyển đổi mô phỏng một bộ chuyển đổi tần số cao hơn. Trong mỗi giai đoạn, nhiều sắp xếp song song của GaN FET có thể được sử dụng để cung cấp dòng điện rất cao khi cần.

Ví dụ về cấu trúc bộ chuyển đổi chuyển mạch đa pha. Bạn có thể đọc thêm về điều này trong một trong những bài viết gần đây của tôi.

Hoạt động theo chế độ đa pha như vậy đòi hỏi việc lựa chọn linh kiện cẩn thận cho phần đầu ra của mỗi giai đoạn. Đối với hệ thống RF, những thiết kế này nên hoạt động ở tần số cao lên đến ~10 MHz hoặc hơn. Việc lựa chọn này cũng như một giai đoạn lọc và điều khiển đầu ra có thể được sử dụng để đảm bảo công suất đầu ra tuân theo biên độ áp đặt trên sóng điện áp/dòng điện đầu ra bởi tín hiệu băng tần cơ bản. Để ngăn chặn hiện tượng rung hoặc dao động không mong muốn giữa các giai đoạn khác nhau, một diode áp cao thường được sử dụng, giống như bạn sẽ làm với các sắp xếp song song đồng pha của MOSFETs cung cấp dòng điện đồng thời. Giai đoạn điều khiển và trình điều khiển trong loại thiết kế này cần được lựa chọn cẩn thận sao cho chúng có thể điều chỉnh đủ GaN FETs trong khi cũng hoạt động trong một vòng lặp điều khiển để bù đắp cho bất kỳ quá áp hoặc giảm áp nào trong quá trình hoạt động.

Thông số Quan trọng

Đối với các khu vực ứng dụng quan trọng được nêu ra ở đây, có bốn thông số chính cần được chú ý trong quá trình thiết kế và lựa chọn linh kiện:

Điện áp cực đại từ dẫn đến nguồn (DC và chuyển tiếp): Các giá trị ở đây cần thiết cho việc cung cấp điện DC với việc bật mượt, hoặc điều chỉnh như một yếu tố chuyển mạch với việc bật nhanh. Lưu ý rằng điện áp cực đại chuyển tiếp sẽ được chỉ định cho một thời gian xung nhất định
Dòng điện cực đại (DC và chuyển tiếp): Giống như các giá trị điện áp cực đại, giá trị chuyển tiếp sẽ được chỉ định với một thời gian xung tương ứng với độ dài của xung đầu ra.
Điện áp cổng: Các điện áp cổng điển hình sẽ được liệt kê trong bảng dữ liệu linh kiện, hãy chắc chắn kiểm tra những điều này để một GaN FET có thể được điều khiển với trình điều khiển cổng phù hợp. Các điện áp cổng điển hình có thể ở trong khoảng 10 đến 20 V cho GaN FETs cực đại DC khoảng 500-600 V với khả năng xử lý dòng cao.
Thời gian chuyển mạch động: Các thông số này bao gồm độ trễ bật, thời gian tăng và thời gian phục hồi ngược cho diode thân. Đối với GaN FETs, các giá trị này ở mức 10-100 ns nhờ vào dung lượng tải thấp hơn của các hệ thống này.
Dung lượng vào/ra: Các dung lượng nhiễu trên cổng vào và ra của thiết bị cũng quan trọng vì chúng sẽ xác định sự tương tác với tải cảm ứng, có thể dẫn đến rung không đủ giảm trong trường hợp tải có điện trở thấp. Thông thường, việc thêm vào một điện trở nhỏ là đủ để giảm chuyển đổi một cách quan trọng trên nút chuyển mạch.

Hãy chú ý đến dung lượng tụ đầu vào và đầu ra trong bất kỳ power MOSFET nào, bao gồm cả GaN FET, khi điều khiển tải cảm ứng. Cụ thể, đừng nghĩ rằng bạn có thể chỉ điều chỉnh để loại bỏ hiện tượng rung tại nút chuyển mạch thông qua một vòng phản hồi và thuật toán điều khiển. IC điều khiển cổng của bạn có thể sẽ không thể bù đắp cho hiện tượng rung này, trừ khi bạn đã thực hiện điều khiển trong một MCU hoặc FPGA nhanh, điều này quá tốn kém. Thay vào đó, bạn có thể chạy các thiết bị này ở tần số cao hơn và sử dụng cuộn cảm nhỏ hơn, điều này vẫn sẽ giúp bạn đạt được mục tiêu về dao động.

Ví dụ về GaN FET và IC Điều Khiển Cổng

Nexperia, GAN063-650WSAQ

GAN063-650WSAQ từ Nexperia là một ví dụ xuất sắc về GaN FET dùng cho mục đích chung. Linh kiện này chuyển mạch với điện áp cổng lên đến 20 V với thời gian bật nhanh là 57 ns (thời gian tăng đầu ra 10 ns). Chỉ với điện áp cổng 10 V, FET này cung cấp 34.5 A trong DC, với dòng điện xung đỉnh tạm thời là 150 A với xung nhanh dưới 10 microgiây. Điện trở trạng thái ON chỉ có 50 mOhms ở nhiệt độ phòng, và chỉ tăng lên đến 120 mOhms ở 175 °C. Điện áp xả DC đỉnh giữa dẫn-drain trong linh kiện này đạt 650 V. Đặc tính dòng điện xả được hiển thị bên dưới.

Dòng điện xả trong GaN FET GAN063-650WSAQ. [Nguồn: Bảng dữ liệu GAN063-650WSAQ]

Infineon, 2EDN7524FXTMA1

2EDN7524FXTMA1 từ Infineon là một IC điều khiển cổng có thể được sử dụng với GaN FETs. Linh kiện này cung cấp tốc độ chuyển mạch nhanh 5 ns và độ trễ truyền 17 ns cho việc chuyển mạch GaN nhanh, làm cho nó hữu ích trong các bộ điều chỉnh chuyển mạch trong hệ thống RF. Linh kiện này là một trình điều khiển kênh kép có thể giao tiếp với một ASIC điều khiển số. Điện áp đầu ra đạt lên đến 20 V với thời gian tăng điển hình là 5.3 ns (tối đa 10 ns, dung lượng tải 1.8 nF, điện áp drain 12 V).

Mạch ứng dụng ví dụ cho IC điều khiển cổng GaN FET 2EDN7524FXTMA1. [Nguồn: Bảng dữ liệu 2EDN7524FXTMA1]

Các Linh Kiện Khác cho Hệ Thống Với GaN FETs

GaN FETs là một trong những khối xây dựng quan trọng cho việc điều chỉnh và cung cấp năng lượng trong hệ thống năng lượng RF và hệ thống năng lượng ô tô. Tuy nhiên, bạn sẽ cần các linh kiện khác để xây dựng hệ thống của mình và đảm bảo điều chỉnh năng lượng đáng tin cậy. Một số linh kiện khác bạn sẽ cần cho các hệ thống này bao gồm:

Khi bạn cần tìm các FET GaN mới nhất và các linh kiện hỗ trợ cho hệ thống điện, hãy sử dụng các tính năng tìm kiếm và lọc tiên tiến trên Octopart. Khi bạn sử dụng công cụ tìm kiếm điện tử của Octopart, bạn sẽ có quyền truy cập vào dữ liệu giá của nhà phân phối cập nhật, hàng tồn kho, và thông số kỹ thuật của linh kiện, và tất cả đều dễ dàng truy cập qua giao diện thân thiện với người dùng. Hãy xem trang mạch tích hợp của chúng tôi để tìm các linh kiện bạn cần.

Hãy cập nhật với các bài viết mới nhất của chúng tôi bằng cách đăng ký nhận bản tin của chúng tôi.