Rys.1. Teoretyczna rezystancja urządzenia
o powierzchni jednego milimetra kwadratowego
w porównaniu z zdolnością blokowania napięcia
dla urządzeń mocy opartych na Si i GaN.
Gen 4 (fioletowe kropki) i Gen 5 (zielone gwiazdki)
ilustrują aktualny stan układów GaN.
Początek
Tranzystory FET z azotku galu pracujące w trybie wzbogacenia (eGaN) od EPC są produkowane od ponad 10 lat, a urządzenia piątej generacji są o połowę mniejsze od swoich poprzedników z czwartej generacji, są dwa razy szybsze, a jednocześnie są wycenione porównywalnie z MOSFETami. Wczesny sukces tranzystorów mocy i układów scalonych opartych na GaN początkowo wynikał z przewagi prędkości tych elementów w porównaniu z krzemem. Tranzystory GaN-on-Si (azotek galu na krzemie) przełączają się około 10 razy szybciej niż tranzystory MOSFET i 100 razy szybciej niż tranzystory bipolarne z izolowaną bramką (IGBT).
Rys.2. Wyniki ankiety cenowej dystrybutora
dla FET eGaN o napięciu 100 V w porównaniu
z MOSFETami o równorzędnej mocy.
Ceny eGan FET są pokazane wewnątrz
czerwonych owali.
Aplikacje, takie jak śledzenie obwiedni RF dla stacji bazowych 4G/LTE oraz systemy LIDARowe dla samochodów autonomicznych, robotów, dronów i systemów bezpieczeństwa były pierwszymi aplikacjami, w których w pełni wykorzystano zdolność szybkiego przełączania urządzeń z GaN. Dzięki sukcesowi tych wczesnych zastosowań wielkość produkcji urządzeń zasilających GaN wzrosła i obecnie są one w punkcie, w którym ceny są równoważne wolniejszym i większym, równorzędnym komponentom MOSFET mocy (rysunek 2).
Przyspieszenie przyjmowania urządzeń mocy GaN
Dzięki konkurencyjności cenowej bardziej tradycyjne aplikacje o dużej bezwładności zaczęły również stosować rozwiązania GaN. Projektanci zasilaczy zdali sobie sprawę, że tranzystory polowe eGaN mogą znacząco przyczynić się do zwiększenia gęstości mocy i budowy sprawniejszych zasilaczy DC-DC 48 V, które są potrzebne w aplikacjach obliczeniowych o wysokiej gęstości do przetwarzania w chmurze, sztucznej inteligencji, uczenia maszynowego i gier.
Firmy motoryzacyjne zaczynają również przyjmować topologię rozdziału zasilania szyny 48 V w samochodach z łagodnym napędem hybrydowym. Wymagania dotyczące tych producentów samochodów dotyczą przetwornic 48 V - 14 V dwukierunkowych. Muszą być również wysoce wydajne, niezawodne i ekonomiczne. eGan FET zaprojektowane w kilku z tych systemów pojawią się w samochodach w ciągu najbliższych dwóch do trzech lat.
Rys.3. (a) Rysunek monolitycznego stopnia
ePower EPC2152 o wymiarach 3,9 mm x 2,6 mm;
(b) równoważny schemat obwodu.
Rys.4. Wydajność w porównaniu do prądu
wyjściowego dla konwertera buck
48 VIN - 12 VOUT zarówno przy 1 MHz,
jak i przy 2,5 MHz za pomocą monolitycznego
układu scalonego ePower EPC2152
w porównaniu z wydajnością tego samego
obwodu z dyskretnymi tranzystorami GaN
z półmostkowym krzemowym
scalonym sterownik.
Oprócz poprawy wydajności i kosztów, najważniejsza przyczyną, aby technologia półprzewodników GaN wpłynęła na rynek konwersji mocy, wynika z jej wewnętrznej zdolności do integracji wielu urządzeń na jednym podłożu. Technologia GaN, w przeciwieństwie do standardowej krzemowej technologii układów scalonych, pozwala projektantom wdrożyć monolityczne systemy zasilania zintegrowane w jednym chipie w prostszy i bardziej opłacalny sposób, niż można to osiągnąć jedynie za pomocą technologii krzemowej.
Układy scalone wykonane przy użyciu podłoży GaN-na-Si są produkowane już od ponad pięciu lat. Od tego czasu układy scalone oparte na GaN przeszły różne fazy integracji, przechodząc od początkowych czystych dyskretnych urządzeń do monolitycznych elementów półmostkowych, do zasilania tranzystorów polowych z własnym zintegrowanym monolitycznie sterownikiem, a ostatnio do w pełni monolitycznych stopni mocy zawierający zasilające tranzystory polowe, sterowniki, obwody przesuwające poziom, logikę i zabezpieczenia.
Na początku 2019 roku funkcja sterownika i monolityczny pół mostek zostały zintegrowane na pojedyncze podłożu GaN-na-Si wraz z translatorem poziomów, synchronicznym obwodem rozruchowym, ochroną i logiką wejściową, jak pokazano na rysunkach 3 (a) i 3 (b). Ten kompletny stopień mocy ePower, może być sterowany z częstotliwościami wielu megaherców i sterowany za pomocą prostego układu CMOS z odniesieniem do masy, z dodanymi jedynie kilkoma elementami pasywnymi. W ten sposób łatwo jest skonstruować kompletny stabilizator DC-DC. Rysunek 4 pokazuje sprawność tego monolitycznego stopnia mocy przy przełączaniu z częstotliwością 1 MHz i przy 2,5 MHz w konwerterze o topologii buck 48 VIN - 12 VOUT.
Źródło: https://www.eetimes.com/silicon-is-deadand-discrete-power-devices-are-dying/
Fajne? Ranking DIY