Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Понедельник, 16 декабря
 
 


Это интересно!

Ранее

Новые универсальные LDO-стабилизаторы компании ON Semiconductor

В статье рассматриваются универсальные LDO-стабилизаторы, выпускаемые компанией ON Semiconductor. Основное внимание уделяется новым изделиям этого класса, анонсированным компанией в 2009 г.

TDK-Lambda: особенности работы и применения источников питания HWS/HD

В статье рассказывается об особенностях работы и преимуществах источников питания подсемейства HWS/HD, которые производит корпорация TDK-Lambda.

Транзисторные инверторы для электропитания средств связи

В статье рассмотрены инверторы, разработанные и выпускаемые ЗАО «ММП-Ирбис». Проведен сравнительный анализ инверторов, предназначенных для работы с аппаратурой связи, по мощности, коэффициенту гармоник, КПД, массо-габаритным показателям и т.д.

 

1 сентября

Силовые транзисторы на базе GaN: новая платформа для преобразователей напряжения

Прогресс в области технологии силовых приборов на базе структуры GaN-на-кремнии позволяет существенно улучшить такие параметры полевых транзисторов как сопротивление канала в открытом состоянии и произведение сопротивления канала на емкость затвора. В статье обсуждаются новые возможности и перспективы построения высокоэффективных преобразователей напряжения на базе GaN-полевых транзисторов. Статья представляет собой сокращенный перевод [1].



Введение

С тех пор как в 1978 г. появились первые конкурентоспособные мощные MOSFET под торговой маркой HEXFET компании International Rectifier, рынок претерпел определенные изменения. Широкое внедрение импульсных источников питания и вытеснение биполярных транзисторов и линейных источников питания позволило кремниевым MOSFET занимать доминирующее положение на рынке на протяжении более 30 лет. За это время в рамках данного направления кроме планарных HEXFET появились разновидности этих транзисторов, как например TrenchFET и Super Junction FET, в которых достигнуто улучшение таких параметров как RDS(on) и RDS(on)·QSW почти на два порядка.
Тем не менее технология кремниевых силовых приборов в настоящее время достигла своей зрелости, и любые новые ее усовершенствования становятся нерентабельными. Это означает, что в перспективе такие приборы не смогут отвечать требованиям по оптимальному соотношению стоимость/качество в таких приложениях как цепи питания серверов и центров обработки данных, коммуникационная инфраструктура, компьютеры широкого применения, мобильная электроника и др.
В связи с этим возникла необходимость в исследовании возможности применения новых материалов и транзисторных структур. Появившиеся сравнительно недавно полевые транзисторы на основе карбида кремния (SiC) имеют ряд недостатков. Несмотря на определенный прогресс этой технологии за последние 10 лет, такие приборы все еще довольно дороги из-за высокой себестоимости исходного материала приемлемого качества. Кроме того, есть определенные трудности при внедрении данной технологии на производстве.
Параллельно в течение более 10 лет велись работы (преимущественно в Японии) в области высоковольтных силовых приборов на базе нитрида галлия (GaN). Результаты этих работ были использованы японскими промышленными компаниями Fuji Electric, Matsushita Electric, Oki, Toshiba и Hitachi. Кроме того, и небольшая американская компания Velox Semiconductor начала работы по развитию своего направления силовых приборов на базе GaN. Недавно она объявила о сотрудничестве с STMicroelectronics в области коммерциализации своих GaN-диодов Шоттки. В это же время компания Nitronex запустила производство силовых приборов для РЧ-приложений на базе структур GaN-на-кремнии.

Полевые транзисторы с высокой подвижностью носителей на базе структур GaN-на-кремнии

Развивая успех в области создания приборов для силовой электроники, специалисты компании International Rectifier разработали новаторскую технологию силовых приборов на базе GaN, обладающих, по крайней мере, на порядок лучшей эффективностью, чем существующие кремниевые приборы, что позволяет резко снизить энергопотребление в конечных приложениях.
Исследования в течение более 5 лет и 60-летний опыт компании IR в области силовых приборов привели к созданию собственного процесса эпитаксии для технологии GaN-на-кремнии, а также новой платформы силовых приборов. Новая технология компании IR в настоящее время известна под названием GaNpowIR. Она имеет шанс стать новой идеологией создания силовых приборов, обеспечивая более высокую рабочую частоту, более компактные размеры, более высокий КПД и конкурентоспособную стоимость.
При разработке этого гетеро-эпитаксиального процесса пришлось решать множество сложных задач, связанных с рассогласованием постоянных решеток и коэффициентов теплового расширения подложки и эпитаксиальных пленок. В результате была разработана технология GaN-на-кремнии, которая обеспечила высокую однородность эпитаксиальной пленки, более низкий уровень дефектов, более высокую надежность приборов, а также, производственный процесс, совместимый со стандартной КМОП-технологией. Это позволило внедрить в крупносерийный производственный цикл процесс осаждения пленок GaN на недорогие кремниевые пластины, которые стоят в 100 раз дешевле пластин SiC и имеют большой диаметр подложек (6, 8 и 12 дюймов).
В качестве базового силового прибора, изготовленного по технологии GaN-на-кремнии, компания IR предложила полевой транзистор с высокой подвижностью носителей в канале (high electron mobility transistor — HEMT), структура которого показана на рисунке 1. Характерной особенностью данной структуры является наличие двумерного электронного газа (two dimensional electron gas — 2DEG) рядом с тонким слоем AlGaN на поверхности GaN высокого качества. В основе этой структуры лежит гетероструктурный полевой транзистор (heterostructure field effect transistor — HFET) с высокой подвижностью электронов в канале, который проводит ток в отсутствие приложенного напряжения (режим обеднения). Было разработано несколько методов формирования встроенного двумерного электронного газа под затвором, который обеспечивает работу транзистора в режиме обогащения.

Рис. 1. Структура полевого транзистора с высокой подвижностью носителей в канале на базе GaN-на-кремнии

Помимо создания высококачественного, надежного и недорогого КМОП-совместимого производственного процесса, технология GaNpowIR обеспечивает существенное улучшение трех основных показателей силовых транзисторов: сопротивления канала во включенном состоянии RDS(on), произведения сопротивления канала RDS(on) на заряд затвора Qg и соотношения между КПД, размерами и стоимостью решения.
Сочетание высокой концентрации электронов проводимости, высокой подвижности электронов и большей ширины запрещенной зоны дает возможность GaN-транзисторам достичь существенного снижения значения сопротивления канала во включенном состоянии при данном напряжении обратного смещения. В силовых транзисторах на базе GaN по сравнению с кремниевыми приборами может быть достигнуто снижение значения RDS(on) более чем на порядок в диапазоне напряжений пробоя 100…300 В. В диапазоне 600…1200 В GaN-транзисторы имеют потенциальную возможность улучшить значение RDS(on) в 100 раз по сравнению с кремниевыми приборами, как показано на рассчитанных кривых предельных значений RDS(on) для полевых транзисторов на базе Si, SiC и GaN, приведенных на рисунке 2. На рисунке, кроме измеренных данных для полевых транзисторов на базе этих трех материалов, показаны данные для скомпенсированного Super Junction FET (SJ) и биполярного транзистора (IGBT) на базе кремния. Для сравнения, на рисунке показаны также данные, полученные при разработке первых образцов HEMT, изготовленных по технологии GaNpowIR (IR GaN).

Рис. 2. Сравнение величины сопротивления канала во включенном состоянии RDS(on) для полевых транзисторов на базе Si, SiC и GaN

Результаты моделирования 200-В HEMT на базе GaN-на-кремнии в режиме обогащения (Vt = 2,5 В) в корпусе размером 5×6 мм показывают, что данная технология обеспечит в течение 5 лет десятикратное улучшение величины RDS(on) по сравнению с современными кремниевыми MOSFET. Из рисунка 3 видно, что к 2014 г. величина сопротивления RDS(on) для 200-В ключевого транзистора в корпусе 5×6 мм, изготовленного по данной технологии, достигнет значения, не превышающего 5 мОм.
Кроме того, силовые транзисторы на базе GaN имеют намного меньшую емкость затвора, что позволяет резко улучшить такой важный показатель полевых транзисторов как произведение сопротивления канала в открытом состоянии RDS(on) на заряд затвора Qg. Расчет на основе модели такого транзистора, разработанной при исследованиях опытных образцов, показал, что ожидается 33-% улучшение этого показателя по сравнению с современными кремниевыми приборами. Внедрение в 2009 г. технологии GaNpowIR позволит достичь десятикратного снижения величины RDS(on) ·Qg в течение ближайших 5 лет, как показано на рисунке 4. Как видно из этого рисунка, значение показателя RDS(on) ·Qg для 30-В HEMT, изготовленного по технологии GaNpowIR, ожидается на уровне 13 мОм·нК к 2011 г., а к 2014 г. — менее 5 мОм·нК, что на порядок меньше по сравнению с кремниевыми MOSFET, доступными на рынке в 2009 г.

Рис. 3. Результаты моделирования значения сопротивления канала во включенном состоянии RDS(on) 200-В ключевых транзисторов в корпусе 5×6 мм, которое может быть достигнуто в ближайшие
5 лет

Рис. 4. Прогнозируемое изменение показателя RDS(on).Qg для 30-В HFET на базе GaN до 2014 г.

Улучшение показателя RDS(on) ·Qg сопровождается ростом рабочей частоты DC/DC-преобразователей с использованием силовых транзисторов на базе структуры GaN-на-кремнии. Исследования по­ка­зывают, что рабочая частота GaNpowIR-при-
­боров достигнет в ближайшем будущем величины 50 МГц. В результате размеры DC/DC-преоб­разователей, построен­ных на базе GaN-приборов, значительно уменьшатся без потери их КПД (см. рис. 5).

Рис. 5. Развитие характеристик силовых каскадов на базе технологии GaNpowIR

Как показано на рисунке, современный многофазный DC/DC-пре­образователь на базе кремниевых приборов с достаточной эффективностью выполняет преобразование напряжения из 12 в 1,2 В на рабочей частоте 2 МГц на фазу. По оценкам специалистов, устройства на базе приборов по технологии GaNpowIR будут выполнять преобразование с высокой эффективностью на частоте более 50 МГц на фазу. Работа на такой высокой частоте позволит снизить количество внешних компонентов, уменьшить расстояние между преобразователем и нагрузкой, а также ограничить паразитные потери мощности. Это приведет к значительному уменьшению габаритов, увеличению эффективности и снижению стоимости системы.
Для исследования характеристик устройств на базе новых силовых транзисторов, изготовленных по технологии GaN-на-кремнии, было создано несколько опытных образцов. Один из них представляет собой низковольтный преобразователь, локализованный к нагрузке (point-of-load — POL). Спроектированный для преобразования напряжения из 12 в 1,2 В при токе нагрузки 10 А, этот преобразователь работает на частоте 5 МГц, а его КПД сравним с КПД доступного на рынке кремниевого прибора, работающего на частоте 1 МГц и имеющего в три раза большие размеры (см. рис. 6). Оба решения содержат в одном корпусе микросхему контроллера/драйвера и выходную катушку индуктивности.

Рис. 6. Сравнение размеров POL-преобразователя на базе GaN с рабочей частотой 5 МГц с доступным на рынке кремниевым POL-преобразователем с рабочей частотой 1 МГц

Первый модуль коммерческого DC/DC-преобразователя на базе транзисторов со структурой GaN-на-кремнии планируется выпустить к концу 2009 г. Эти устройства будут представлять собой полное POL-решение для широкого спектра входных и выходных напряжений. Ожидается, что в ближайшем будущем будут разработаны новые архитектуры преобразователей и схемы управления, которые в полной мере реализуют возможности силовых приборов на базе структуры GaN-на-кремнии.

Заключение

Благодаря радикальному улучшению таких ключевых показателей как произведение сопротивления канала в открытом состоянии RDS(on) на заряд затвора Qg и соотношение между эффективностью, габаритными размерами и стоимостью системы, силовые транзисторы на базе структуры GaN-на-кремнии позволят создать новую платформу высокочастотных высокоэффективных и недорогих преобразователей напряжения.

Литература

1. GaN-Based Power Device Platform. The arrival of a new paradigm in conversion technology, Michael A. Briere//www.powersystemsdesign.com.



Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.
Оцените материал:

Автор: Майкл Бриер (Michael A. Briere), гл. научн. консультант, ACOO Enterprises LLC



Комментарии

0 / 0
0 / 0

Прокомментировать





 

Горячие темы

 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2019 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты