Если вы недавно смотрели рекламные материалы современного USB-C зарядного устройства, телекоммуникационного выпрямителя или блока питания сервера, вы, вероятно, уже видели три буквы, определяющие конструкцию, - GaN. В компании OnlineComponents.com, где мы поддерживаем как инженеров-разработчиков, так и специалистов по закупкам компонентов в различных отраслях, мы наблюдаем, как устройства на основе нитрида галлия переходят из категории «неизвестных» в категорию «повсеместных» в источниках питания AC/DC и DC/DC, а также в драйверах двигателей. Вот почему GaN привлек столько внимания и на что обращать внимание при квалификации компонентов или составлении спецификации материалов.

Что дает GaN

GaN - это широкозонный полупроводник со значительно более высоким критическим электрическим полем и подвижностью электронов по сравнению с кремнием. На практике это означает транзисторы с более низкими емкостями, более быстрым переключением и значительно сниженными потерями при переключении по сравнению с кремниевыми МОП-транзисторами. В отличие от паразитных диодов кремниевых МОП-транзисторов, силовые транзисторы GaN не зависят от неосновных носителей заряда, поэтому заряд обратного восстановления практически равен нулю. Физика, лежащая в основе этих устройств, служит основой для современных источников питания меньшего размера, с меньшим нагревом и более высокой эффективностью.

Разработчики обычно выбирают GaN для диапазона примерно 100-650 вольт, компактных зарядных устройств для телефонов и ноутбуков, а также многих промышленных источников питания. Для еще более высоких напряжений и большей мощности карбид кремния часто оказывается более подходящим вариантом, например, для тяговых инверторов электромобилей и встроенного в автомобиль зарядного устройства. Оба материала являются полупроводниками нового поколения, но они превосходят друг друга в разных диапазонах, поэтому дистрибьюторы обычно предлагают варианты обоих типов.

Эффективность и плотность мощности: почему это важно для покупателей

Поскольку нитрид галлия может переключаться быстро с низкими потерями, разработчики повышают частоты переключения (часто в два-пять раз выше, чем у источников питания на основе кремния). Это позволяет уменьшить размеры магнитных компонентов и конденсаторов, снизить массу радиаторов и повысить общую плотность мощности. Именно эта технология лежит в основе тех компактных мощных зарядных устройств USB-C Power Delivery и блоков питания, которые становятся столь популярными. В этих высокочастотных высоковольтных системах наблюдаются значительно более высокие скорости нарастания сигнала, при этом десятки вольт на наносекунду являются обычным явлением, что требует эталонных конструкций с особым вниманием к дисциплине компоновки для сдерживания электромагнитных помех (EMI).

Все эти особенности приводят к практическим преимуществам для конечных пользователей. Используя нитрид галлия, можно добиться снижения стоимости системы при том же или даже более высоком уровне производительности. Хотя устройство на основе GaN может быть дороже сопоставимого кремниевого МОП-транзистора, стоимость системы часто снижается, поскольку можно уменьшить размеры магнитных компонентов (трансформаторов и подобных элементов), конденсаторов, элементов терморегулирования и объема корпуса. Это тема спецификации материалов, которую современные разработчики источников питания должны ежедневно обсуждать со своими системными разработчиками.

Более высокая эффективность этих источников питания открывает очевидный путь к получению столь же высоких сертификатов эффективности. Источники питания для центров обработки данных и ПК конкурируют по маркировке энергоэффективности, а использование интерфейсных каскадов на основе GaN облегчает достижение этих целей за счет снижения потерь в цепи ККМ и первичном каскаде при частичной и полной нагрузке.

Наконец, продукт меньшего размера и веса выгоден для всех. Для адаптеров и встроенных источников питания важны вес при транспортировке, плотность портов и тепловой комфорт. Преимущества плотности GaN очевидны для многих, и это преимущество заметно на полках магазинов, где многопортовые настенные зарядные устройства мощностью 65-100 Вт вдвое меньше своих кремниевых предшественников. Действительно, если в рекламе конечного продукта используются слова «ультракомпактный» или «карманного размера», велика вероятность, что внутри находится нитрид галлия.

Тенденции в топологии с использованием нитрида галлия

Существует несколько топологий, которые становятся все более распространенными благодаря особенностям, уникальным для МОП-транзисторов на основе GaN. Новый стиль коррекции коэффициента мощности заменяет обычный входной диодный мост. Быстрое, чистое переключение делает это практичным, что позволяет получить более высокую эффективность и меньшее количество компонентов. Отказ от этого диодного моста действительно требует тщательной компоновки схемы, качественной входной фильтрации и внимания к измерению тока и синхронизации переключения для сдерживания электрических помех.

Независимо от того, используете ли вы резонансный преобразователь или простую полумостовую схему, GaN позволяет переключаться быстрее с меньшими потерями, а значит, вы можете использовать высокочастотный изолированный каскад. Это дает трансформатор и конденсатор меньшего размера без потери эффективности. Многие разработчики сочетают входной каскад на основе нитрида галлия с полумостом GaN, чтобы вся первичная сторона работала прохладнее и легче.

На вторичной стороне низковольтные понижающие и повышающие каскады - что-то вроде перехода с 48 вольт на 12 вольт или с 12 вольт на 5 вольт - снижают потери энергии при каждом включении и выключении переключателей. Результатом являются компактные источники питания с несколькими выходами, которые остаются эффективными даже по мере уменьшения размеров трансформаторов.

Интегрированные силовые каскады GaN - это устройства, в которых транзисторы интегрированы с драйвером и защитой. Интеграция сокращает чувствительные контуры проводки, облегчая управление высокоскоростным переключением и часто упрощая печатную плату. Для многих команд это самый быстрый путь к надежной конструкции с высокой плотностью компоновки.

Надежность транзисторов GaN

Ранние скептики технологии GaN беспокоились по поводу динамических сдвигов RDS(on), методов квалификации и долгосрочной надежности затвора. В ответ на эти опасения отрасль стандартизировала практики тестирования и отчетности и публикует данные о сроке службы, актуальные для конкретных применений. При оценке компонентов запрашивайте условия нагрузки, соответствующие вашему сценарию использования, и ищите квалификации, соответствующие рекомендациям, специфичным для GaN, а не только традиционным тестам кремниевых МОП-транзисторов.

С точки зрения разработчика, существует практический контрольный список пунктов для проверки или рассмотрения, который мы рекомендуем инженерным и закупочным командам.  

• Соответствие класса напряжения и топологии. Поскольку большинство современных GaN-компонентов оптимальны в диапазоне 100-650 В, это имеет смысл только в приложениях, попадающих в этот диапазон. Но даже после этого вам нужно будет убедиться, что все остальные параметры соответствуют вашим потребностям.
• Интегрированный драйвер против дискретного. Интегрированные решения на основе GaN, включающие драйвер и защиту, снижают паразитные эффекты и риски проектирования. Дискретные решения на основе GaN, напротив, дают гибкость и могут предложить больше вариантов корпусов.
• Тепловая защита. Эффективность выше, чем у многих других технологий, но корпуса меньше. Это делает не менее важным проверку тепловых путей. Как и в случае со всей электроникой, более холодный переход продлевает срок службы и позволяет избежать неожиданностей, связанных со снижением номинальных характеристик.
• Стратегия борьбы с электромагнитными помехами (EMI) - Быстрые фронты экономят ватты, но могут излучать нежелательные электромагнитные волны. Заложите бюджет на снабберы, расширенный спектр, если это возможно, и заранее смоделируйте синфазные токи, чтобы убедиться, что конструкция будет функционировать должным образом и не превысит требования по излучению.
• Цепочка поставок и второй источник. Как дистрибьютор, мы прекрасно осведомлены о трудностях, связанных с закупкой электронных компонентов. К счастью, по мере роста спроса на GaN рынок стал многопоставщическим, и несколько поставщиков производят аналогичные компоненты.  

Резюме

Рост популярности нитрида галлия - это не просто шумиха. Это преимущество материала, превращенное в повседневные успехи в проектировании. Для инженеров это открывает более высокую эффективность, более высокую частоту и более высокую плотность мощности с использованием стандартных инструментов и эталонных конструкций. Для покупателей это может снизить стоимость системы, уменьшить размер и вес, а также поддержать амбициозные планы по повышению эффективности. При квалификации ваших компонентов ищите данные о надежности, специфичные для GaN, и подтверждайте наличие нескольких поставщиков, чтобы снизить риски вашего плана.