Силовые GaN-транзисторы: преимущества, рекомендации по использованию

Сегодня у разработчиков есть богатый выбор силовых GaN-транзисторов от различных производителей. Более того, преимущества нитрид-галлиевых ключей уже успели оценить по достоинству – это позволило внедрить их в широкий спектр приложений. Сейчас GaN-транзисторы используют в промышленности – в источниках питания и системах управления электродвигателями; в коммерческом оборудовании и в автомобильной технике с жесткими условиями эксплуатации.

В статье анализируется потенциал силовых GaN-устройств и важность использования драйверов для GaN-ключей, проводится сравнение характеристик нитрид-галлиевых транзисторов и MOSFET, а также кратко рассматриваются методы уменьшения влияния шумов, возникающих в цепи затвора. Стоит отметить также, что GaN-ключи успешно применяют для построения ВЧ-передатчиков и усилителей мощности, но рассмотрение этих случаев выходит за рамки данной статьи.

Зачем вообще понадобились GaN-транзисторы?

Кремниевые МОП-транзисторы долгое время являлись основой силовых устройств с мощностью в диапазоне от десятков до сотен и даже тысяч ватт, таких, например, как источники питания AC/DC, DC/DC-преобразователи, приводы электродвигателей и т. д. По мере развития технологий параметры кремниевых ключей постоянно улучшались: снижалось сопротивление открытого канала R_DS(ON), увеличивалось рабочее напряжение, повышалась скорость переключения, минимизировались габаритные размеры и др. В настоящее время технологии производства практически достигли пика своего совершенства, и параметры кремниевых МОП-транзисторов оказались близки к теоретическому пределу, определяемому фундаментальными физическими ограничениями кремния.

Вот почему изделия на базе нитрида галлия привлекательны в качестве альтернативных МОП-транзисторов. Нитрид галлия отличается от кремния повышенной подвижностью электронов и увеличенной электрической прочностью. Это означает, что при заданных значениях сопротивления и пробивного напряжения GaN-транзистор будет иметь меньшие размеры по сравнению с кремниевым аналогом (Рис. 1). GaN-ключи также обладают чрезвычайно высокой скоростью переключений и минимальным временем обратного восстановления, что является важным условием для уменьшения потерь и повышения эффективности. GaN-транзисторы с рейтингом напряжения 600/ 650 В широко представлены на рынке и являются идеальным выбором для широкого спектра приложений, впрочем, как и первое поколение GaN-ключей с рейтингом напряжений 100 В.

Рис.1.	GaN-транзистор выполнен на кремниевой подложке.

Двойной электронный слой (ДЭС) сформирован на границе гетероструктуры, которая состоит из двух эпитакисальных слоев AlGaN/ GaN и обеспечивает высокую плотность заряда и подвижность носителей. Нормально замкнутый GaN-ключ не проводит ток при нулевом напряжении «затвор-сток» (левый рисунок). Если напряжение «затвор-сток» превышает пороговое значение, транзистор открывается (рисунки справа и по центру).

GaN-транзисторы делятся на два типа:

• Нормально открытые GaN-транзисторы, работающие в режиме обеднения. Такие ключи находятся в проводящем состоянии при отсутствии напряжения на затворе. Для их отключения требуется подача отрицательного затворного напряжения (относительно стока и истока).
• Нормально закрытые GaN-транзисторы с улучшенной структурой (enhancement mode), работающие в режиме обогащения. Нормально замкнутый GaN-ключ не проводит ток при нулевом напряжении «затвор-сток». Если напряжение «затвор-сток» превышает пороговое значение, транзистор открывается.

Разница между перечисленными типами транзисторов заключается не только в нормально закрытом или нормально открытом состоянии. Для ключей, работающих в режиме истощения (нормально открытые), существуют проблемы с начальной подачей питания. Чтобы предотвратить сквозной ток, например, в полумостовой схеме, необходимо перед подачей напряжения силовой шины предварительно выключить транзисторы, для чего требуется сформировать на их затворах отрицательные напряжения. Для устранения этого очевидного недостатка нормально открытых GaN-транзисторов используют каскадную схему включения: в одном корпусе с нитрид-галлиевым ключом помещают дополнительный низковольтный кремниевый ключ. Совсем по-другому обстоит дело с нормально замкнутыми GaN-транзисторами, которые при нулевом напряжении на затворе по умолчанию не проводят ток и не создают проблем при начальном запуске.

Сравнение GaN и кремниевых транзисторов

Кремниевые МОП-транзисторы и GaN-ключи имеют сходства и различия.

Хотя значения параметров GaN-транзисторов отличаются от значений кремниевых MOSFET, перечни общих характеристик у них практически совпадают. Как и у традиционных МОП-транзисторов, у GaN-ключей есть выводы стока, истока и затвора, а наиболее важными параметрами остаются сопротивление открытого канала и рабочее напряжение.

Кроме того, GaN-транзисторы с улучшенной структурой (enhancement mode), как и кремниевые MOSFET, являются нормально закрытыми ключами, управляемыми напряжением (не током!). При этом они также обладают паразитной входной емкостью, которую требуется заряжать и разряжать при переключениях. Параметры заряда/ разряда (в частности, скорость нарастания и форма сигналов) являются важными факторами, определяющими эффективность работы ключей.

Рассмотрим и некоторые важные различия, которые определяются в первую очередь свойствами полупроводниковых материалов. Во-первых, сопротивление открытого канала GaN-транзистора R_DS(ON) является чрезвычайно низким, что приводит к значительному уменьшению статических потерь проводимости во включенном состоянии. Во-вторых, структура GaN-ключа обеспечивает минимальную входную емкость, что позволяет добиваться высокой скорости переключений. В результате нитрид-галлиевые транзисторы способны коммутировать напряжения в сотни вольт с длительностью переходных процессов в наносекундном диапазоне. Это делает их идеальным выбором для построения мощных импульсных источников питания с большими выходными токами и рабочими частотами до нескольких сотен мегагерц. Кроме того, увеличение частоты коммутации может (потенциально) привести к росту эффективности и к уменьшению номиналов емкостей и индуктивностей выходных фильтров, благодаря чему удастся получать компактные решения с минимальными габаритными размерами.

Представителем семейства GaN-устройств с улучшенной структурой является транзистор GS66516B от компании GaN Systems, который сочетает в себе высокое значение тока стока, рабочее напряжение 650 В и высокую частоту переключений (Рис. 2). Транзистор выпускается в шестивыводном корпусном исполнении размером 11 × 9 мм (Рис. 3). GS66516B отличается минимальным тепловым сопротивлением переход-корпус и имеет дополнительную нижнюю площадку для теплоотвода.

Рис.2.	Нормально закрытый 650 В транзистор GS66516B от компании GaN Systems; выпускается в шестивыводном корпусном исполнении, отличается высоким значением тока и минимальной паразитной индуктивностью.

Рис.3.	Габаритные размеры корпуса GS66516B составляют 11 × 9 мм. На нижней стороне размещена дополнительная площадка для улучшения теплоотвода.

Сопротивление канала для GS66516B составляет 25 мОм, максимальный ток стока 10 А, а частота переключений может превышать 10 МГц. Рекомендуемый диапазон управляющих напряжений «затвор-исток» составляет 0…6 В, при этом затвор имеет защиту от перенапряжений –20…+10 В.

Выбор драйвера определяет эффективность использования GaN-транзисторов

Для эффективной работы транзистора крайне важно правильно выбрать драйвер, необходимый как для GaN-ключей, так и для кремниевых MOSFET. Драйвер играет роль электрического интерфейса между низковольтным цифровым выходом управляющего микроконтроллера и высоковольтной частью схемы, чувствительной к скорости нарастания сигналов. (Предложенное определение является упрощенным: драйвер выполняет множество других функций).

При включении и выключении транзистора драйвер должен формировать управляющий сигнал и обеспечивать необходимый ток затвора, чтобы быстро заряжать и разряжать входную затворную емкость, не допуская перерегулирования или осцилляций. Кроме того, при работе полумостовых и мостовых схем необходимо, чтобы драйвер формировал задержки при генерации управляющих сигналов и не допускал возникновения сквозных токов.

Рассмотрим три основных параметра GaN-транзисторов, на которые в первую очередь следует обращать внимание при выборе драйвера: максимально допустимое напряжение затвора, пороговое напряжение затвора и падение напряжения на встроенном диоде. Максимальное напряжение «затвор-исток» для нормально закрытого нитрид-галлиевого ключа составляет 6 В, что примерно в два раза меньше, чем у МОП-транзисторов. Отчасти это упрощает задачу формирования требуемых напряжений и токов при включениях и выключениях. Пороговое напряжение затвора GaN-ключей ниже напряжения большинства силовых МОП-транзисторов и имеет низкий отрицательный температурный коэффициент – это упрощает задачу температурной компенсации драйверов. Прямое падение напряжения на встроенном диоде, который является неотъемлемой частью структуры GaN-ключей, оказывается примерно на 1 В выше, чем у кремниевых МОП-транзисторов.

Приведём несколько цифр, чтобы продемонстрировать динамические преимущества GaN-ключей. GaN-транзисторы способны переключаться значительно быстрее кремниевых MOSFET, при этом скорость нарастания dV/dt для них превышает 100 В/нс. Общее время включения GaN примерно в четыре раза меньше, чем у кремниевых МОП-транзисторов с тем же значением сопротивления канала R_DS(ON), а время выключения меньше примерно в два раза. Это важно для увеличения эффективности и энергоемкости, однако данные особенности вызывают новые проблемы с точки зрения схем управления и драйверов.

Как и у кремниевых МОП-транзисторов, у GaN-транзисторов есть проблемы с зарядом Миллера, который ограничивает скорость включения/ выключения и оказывает влияние на форму сигнала. Но общий заряд Миллера для GaN-ключей намного ниже, чем для кремниевых MOSFET со сравнимым R_DS(ON). Поэтому GaN-транзистор можно включить/ выключить значительно быстрее, что является большим преимуществом.

Тем не менее, высокая скорость нарастания dV/dt может создавать условия для возникновения сквозных токов в полумостовых и мостовых схемах. Поэтому необходимо задавать сопротивление затвора с учетом уменьшения длительности переходных процессов, но не допускать возникновения других нежелательных механизмов потерь, а также перерегулирования или осцилляций. Эти условия важно выполнять для предотвращения ложных переключений и минимизации электромагнитных помех.

Анализ данной проблемы представлен на Рисунках 4 и 5. Самым простым решением является разделение управляющих выходов драйвера и использование двух отдельных затворных резисторов для включения и выключения (Рис. 6).

​
Рис.4.	Для анализа и решения проблем, возникающих в процессе включения, необходима подробная модель GaN-транзистора: положительное dV/dt.

​
Рис.5.	Для анализа и решения проблем, возникающих в процессе выключения, необходима подробная модель GaN-транзистора: отрицательное dV/dt.

​
Рис.6.	Используя отдельные выходы и разные резисторы затвора, можно оптимизировать процессы включения и выключения и предотвратить возникновение перерегулирования и звонов.

Таким образом, скромный резистор затвора (или пара резисторов) может сыграть решающую роль в обеспечении высокой эффективности при работе с мощным GaN-ключом. Выбор оптимальных значений сопротивлений резисторов цепей включения/ выключения позволяет достичь высокой эффективности и стабильности работы GaN-ключей.

Для защиты от негативных последствий эффекта Миллера сопротивление резистора в цепи включения обычно выбирается из диапазона 5…10 Ом. Если резистор в цепи включения слишком большой (10…20 Ом), то скорость включения/ выключения dV/dt снижается. Это в свою очередь вызывает затягивание процесса включения и, как следствие, рост потерь. Если скорость нарастания слишком высока, то потери на коммутацию обусловлены эффектом Миллера и потенциальными осцилляциями в цепи затвора. Для быстрого выключения транзистора необходимо как можно сильнее подтягивать затвор к земле. Поэтому резистор в цепи выключения затвора обычно выбирают из диапазона от 1 до 2 Ом.

Микросхемы драйверов, предлагаемые различными поставщиками, решают множество проблем и позволяют разработчику использовать различные GaN-транзисторы. Среди доступных драйверов можно выделить LMG1205 от Texas Instruments (Рис. 7). Это двухканальный драйвер для работы с нормально закрытыми GaN-транзисторами.

Рис.7.	Драйвер LMG1205 от Texas Instruments LMG1205 имеет все необходимое для работы с GaN-транзисторами.

LMG1205 способен управлять транзисторами верхнего и нижнего плеча в синхронном понижающем преобразователе, повышающем регуляторе и в других полумостовых схемах. Драйвер имеет независимые входы для управления верхним и нижним ключами. Максимальный вытекающий ток для него составляет 1.2 А, а максимальный втекающий ток 5 А. Это сделано для предотвращения ложных включений при коммутациях. Каналы с раздельными выводами для цепей управления транзисторами верхнего и нижнего плеча обеспечивают гибкость, позволяющую независимо регулировать втекающий и вытекающий ток.

Входы драйвера совместимы с TTL-логикой, но могут выдерживать входные напряжения до 14 В независимо от напряжения шины VDD.

Не стоит забывать, что в приложениях с полумостовыми схемами важно иметь низкую задержку сигнала управления и оптимальное согласование задержек между каналами для обеспечения высокой эффективности и защиты от сквозных токов. Драйверы LMG1205 имеют типовое значение задержки сигналов управления 35 нс и согласование задержек между каналами на уровне 1.5 нс.

Среди других присутствующих на рынке драйверов GaN-транзисторов можно отметить такие семейства как Si827x от Silicon Labs, ADuM4223A/B от Analog Devices, MAX5048C от Maxim и LM5113 от Texas Instruments. Кроме того, в ряде случаев можно использовать драйверы, изначально предназначавшиеся для кремниевых ключей, если их характеристики и параметры позволяют работать с GaN-транзисторами на низких частотах.

Для успеха мало хорошей схемы

Любой опытный разработчик знает, что идеальная схема и оптимальный выбор компонентов являются необходимыми, но далеко не достаточными условиями успешного построения надежного устройства.

В случае со схемами, использующими GaN-транзисторы, крайне важно контролировать и минимизировать проникновение шумов от источника питания в цепь затвора.

Сигналы с высокой скоростью dV/dt и di/dt в сочетании с минимальной входной емкостью затвора и низким пороговым напряжением «затвор-исток» приводят к тому, что шумы и помехи в цепи затвора, а также эффект Миллера способны вызывать осцилляции и звон. Результатом этого становятся ложные переключения, снижение эффективности и даже отказ устройства.

Основной причиной возникновения осцилляций являются паразитные индуктивности в цепи обратной связи, а также эффект Миллера. Для решения этих проблем часто требуется использование многослойных печатных плат.

Методами борьбы с паразитной индуктивностью являются:

• оптимизация компоновки элементов на печатной плате для уменьшения длины дорожек;
• размещение выхода драйвера как можно ближе к затвору GaN-транзистора;
• использование проводящих дорожек максимальной ширины;
• подключение к источнику питания методом Кельвина для минимизации общей индуктивности истока;
• использование гальванической развязки;
• точная подгонка сопротивлений резисторов в цепи затвора для настройки необходимых параметров включения и выключения;
• применение небольших отрицательных запирающих напряжений (–3 В);
• использование дополнительных ферритовых фильтров в цепи затвора для защиты от ВЧ-шумов и дребезга;
• добавление последовательно с затвором помехоподавляющих RC-цепочек.

Заключение

В настоящий момент нитрид-галлиевые транзисторы стали не просто реальностью, а настоящей альтернативой для кремниевых MOSFET. К услугам разработчиков – широкий выбор GaN-ключей, инструментов отладки и моделирования, специализированных драйверов, реальных примеров использования и т.д. Это касается как крупных, так и мелких производителей. GaN-транзисторы обеспечивают параметры эффективности и производительности, превосходящие те, что могут предложить существующие и даже анонсируемые кремниевые MOSFET.

Тем не менее, скорость и возможности GaN-ключей требуют от разработчиков повышенного внимания при использовании. Это в первую очередь касается анализа характера включения и выключения с учетом значений dV/dt и di/dt, токов заряда и разряда, возможных шумов и паразитных связей. Также не стоит забывать о грамотной компоновке элементов и разводке печатной платы.

Посмотреть более подробно технические характеристики GAN-транзисторов