Yakın zamanda modern bir USB-C şarj cihazı, telekom doğrultucusu veya sunucu güç kaynağı ünitesinin pazarlama içeriğine baktıysanız, muhtemelen tasarımı yönlendiren üç harfi görmüşsünüzdür - GaN. Çeşitli sektörlerde hem tasarım mühendislerini hem de bileşen alıcılarını desteklediğimiz OnlineComponents.com'da, galyum nitrür cihazlarının AC/DC ve DC/DC güç kaynaklarında ve ayrıca motor sürücülerinde “pek bilinmeyen” konumdan “her yerde” konumuna geçtiğini görüyoruz. İşte GaN'ın bu kadar dikkat çekmesinin nedeni ve parçaları nitelendirirken veya bir malzeme listesi oluştururken nelere dikkat etmeniz gerektiği.

GaN Neler Sunuyor

GaN, silisyuma kıyasla çok daha yüksek kritik elektrik alanına ve elektron hareketliliğine sahip geniş bant aralıklı bir yarı iletkendir. Pratikte bu, silisyum MOSFET'lere kıyasla daha düşük kapasitanslara, daha hızlı anahtarlamaya ve önemli ölçüde azalmış anahtarlama kayıplarına sahip transistörler anlamına gelir. Silisyum MOSFET gövde diyotlarının aksine, GaN güç transistörleri azınlık taşıyıcılarına dayanmaz, bu nedenle ters kurtarma yükü temelde sıfırdır. Bu cihazların arkasındaki fizik, günümüzün daha küçük, daha serin ve daha verimli güç kaynaklarının temelini oluşturmaktadır.

Tasarımcılar genellikle yaklaşık 100-650 volt aralığı, kompakt telefon ve dizüstü bilgisayar şarj cihazları ve birçok endüstriyel güç kaynağı için GaN'a yönelirler. Daha da yüksek voltajlar ve daha büyük güç için, elektrikli araç tahrik invertörleri ve arabaya entegre edilmiş şarj cihazı gibi uygulamalarda silisyum karbür genellikle daha iyi bir seçenektir. Her ikisi de yeni nesil yarı iletken malzemelerdir, ancak farklı aralıklarda üstünlük sağlarlar; bu yüzden distribütörler genellikle her ikisi için de seçenekler sunar.

Verimlilik ve Güç Yoğunluğu: Alıcılar Neden İlgileniyor

Galyum nitrür düşük kayıpla hızlı anahtarlama yapabildiğinden, tasarımcılar daha yüksek anahtarlama frekanslarına yönelmektedir (genellikle silisyum tabanlı kaynaklara göre iki ila beş kat daha yüksek). Bu, manyetik bileşenleri ve kondansatörleri küçültmenize, ısı emici kütlesini azaltmanıza ve genel güç yoğunluğunu artırmanıza olanak tanır. Bu kadar popüler hale gelen küçük form faktörlü, yüksek güçlü USB-C Power Delivery şarj cihazlarının ve Güç Kaynağı Ünitelerinin arkasında yatan teknoloji tam olarak budur. Bu yüksek frekanslı, yüksek voltajlı sistemlerde, nanosaniye başına onlarca voltun yaygın olduğu önemli ölçüde daha yüksek yükselme hızları görülür; bu da elektromanyetik girişimi (EMI) kontrol altında tutmak için düzen disiplinine önem veren referans tasarımlar gerektirir.

Tüm bu özellikler, son kullanıcılar için pratik faydalar sağlar. Galyum nitrür kullanarak, aynı veya hatta daha iyi performansla daha düşük bir sistem maliyeti elde etmek mümkündür. Bir GaN cihazı karşılaştırılabilir bir silisyum MOSFET'ten daha pahalı olabilse de, manyetik bileşenleri (transformatörler ve benzerleri), kondansatörleri, termal donanımı ve muhafaza hacmini küçültebildiğiniz için sistem maliyeti genellikle düşer. Bu, modern güç tasarımcılarının sistem tasarımcılarıyla her gün konuşması gereken bir malzeme listesi konusudur.

Bu güç kaynaklarının daha yüksek verimliliği, eşit derecede yüksek verimlilik sertifikalarına giden açık bir yoldur. Veri merkezi ve PC güç kaynakları enerji verimliliği etiketlerinde rekabet eder ve GaN tabanlı ön uçların kullanılması, kısmi ve tam yükte PFC ve birincil kademe kayıplarını azaltarak bu hedeflere ulaşmayı kolaylaştırır.

Son olarak, daha küçük ve daha hafif bir ürün herkes için faydalıdır. Adaptörler ve gömülü kaynaklar için nakliye ağırlığı, port yoğunluğu ve termal konfor önemlidir. GaN'ın yoğunluk avantajları birçok kişi için açıktır ve bu fayda, çok portlu, 65-100 watt duvar şarj cihazlarının silisyum öncüllerinin yarısı boyutunda olduğu perakende raflarında görülebilir. Gerçekten de, bir son ürün pazarlamasında “ultra kompakt” veya “cep boyutu” kelimelerini kullanıyorsa, içinde galyum nitrür olma ihtimali yüksektir.

Galyum Nitrür ile Topoloji Eğilimleri

GaN tabanlı MOSFET'lere özgü özellikler nedeniyle giderek daha yaygın hale gelen birkaç topoloji vardır. Daha yeni bir güç faktörü düzeltme tarzı, olağan giriş diyot köprüsünün yerini alır. Hızlı, temiz anahtarlama bunu pratik hale getirir, böylece daha yüksek verimlilik ve daha az parça elde edersiniz. Bu diyot köprüsünü atlamak, elektriksel gürültüyü kontrol altında tutmak için dikkatli bir devre düzeni, iyi bir giriş filtrelemesi ve akım algılama ile anahtar zamanlamasına dikkat gerektirir.

İster bir rezonans dönüştürücü ister basit bir yarım köprü kullanın, GaN daha düşük kayıpla daha hızlı anahtarlama yapmanızı sağlar; bu da yüksek frekanslı bir izole kademe kullanabileceğiniz anlamına gelir. Bu, verimlilikten ödün vermeden daha küçük bir transformatör ve kondansatör sağlar. Birçok tasarımcı, tüm birincil tarafın daha serin ve daha hafif çalışması için bir Galyum Nitrür ön ucunu bir GaN yarım köprüsüyle eşleştirir.

İkincil tarafta, 48 volttan 12 volta veya 12 volttan 5 volta gibi düşük voltajlı düşürücü ve yükseltici kademeler, anahtarların her açılıp kapanmasında boşa harcanan enerjiyi azaltır. Sonuç, transformatörler küçüldükçe bile verimli kalan kompakt, çok çıkışlı kaynaklardır.

Entegre GaN güç kademeleri, transistörlerin sürücü ve koruma ile entegre edildiği cihazlardır. Entegrasyon, hassas kablolama döngülerini kısaltarak yüksek hızlı anahtarlamanın kontrol edilmesini kolaylaştırır ve genellikle PCB'yi basitleştirir. Birçok ekip için bu, güvenilir, yüksek yoğunluklu bir tasarıma giden en hızlı yoldur.

GaN Transistörlerin Güvenilirliği

GaN teknolojisine ilişkin ilk şüpheciler, dinamik RDS(on) kaymaları, yeterlilik yöntemleri ve uzun vadeli kapı güvenilirliği konusunda endişeliydi. Bu endişelere yanıt olarak, endüstri test ve raporlama uygulamalarını standartlaştırdı ve uygulamaya özgü ömür verilerini yayınlamaktadır. Parçaları değerlendirirken, kullanım durumunuza benzeyen stres koşulları isteyin ve yalnızca eski silisyum MOSFET testlerine değil, GaN'a özgü kılavuzlarla uyumlu yeterliliklere bakın.

Bir tasarımcının bakış açısından, mühendislik ve tedarik ekiplerine tavsiye ettiğimiz kontrol edilecek veya ele alınacak öğelerden oluşan pratik bir kontrol listesi vardır.  

• Voltaj sınıfı ve topoloji uyumu. Günümüzde çoğu GaN 100-650 V aralığında ideal olduğundan, yalnızca bu aralığa giren uygulamalarda anlamlıdır. Ancak bundan sonra bile, diğer tüm parametrelerin ihtiyaçlarınıza uygun olduğundan emin olmanız gerekecektir.
• Entegre ile ayrık sürücü. Sürücü ve koruma dahil entegre GaN çözümleri, parazitik etkileri ve tasarım riskini azaltır. Ayrık GaN çözümleri ise size esneklik sağlar ve daha fazla paket seçeneği sunabilir.
• Termal koruma. Verimlilik birçok diğer teknolojiden daha yüksektir, ancak paketler daha küçüktür. Bu, termal yolları doğrulamayı da bir o kadar önemli hale getirir. Tüm elektroniklerde olduğu gibi, daha serin bir bağlantı noktası ömrü uzatır ve derating sürprizlerini önler.
• Elektromanyetik girişim (EMI) stratejisi - Hızlı kenarlar watt tasarrufu sağlar ancak istenmeyen elektromanyetik dalgalar yayabilir. Snubber'lar için bütçe ayırın, mümkünse yayılı spektrum kullanın ve tasarımın hem düzgün çalışmasını hem de emisyon gereksinimlerini aşmamasını sağlamak için ortak mod akımlarını erken simüle edin.
• Tedarik zinciri ve ikinci kaynak. Bir distribütör olarak, elektronik bileşen tedarikinin zorluklarının fazlasıyla farkındayız. Neyse ki, GaN'a olan talep arttıkça, benzer bileşenler üreten birden fazla tedarikçiyle çok tedarikçili bir pazar haline geldi.  

Özet

Galyum nitrürün yükselişi bir moda değildir. Bu, malzeme avantajının günlük tasarım kazanımlarına dönüşmesidir. Mühendisler için, ana akım araçlar ve referans tasarımlarla daha yüksek verimlilik, daha yüksek frekans ve daha yüksek güç yoğunluğunun kilidini açar. Alıcılar için, sistem maliyetini düşürebilir, boyut ve ağırlığı azaltabilir ve iddialı verimlilik yol haritalarını destekleyebilir. Bileşenlerinizi nitelendirirken, GaN'a özgü güvenilirlik verilerini arayın ve planınızın riskini azaltmak için çoklu tedarikçi kapsamını doğrulayın.