ส่วนประกอบและเครื่องมือด้านพลังงานของ ADI GaN โอกาสในการออกแบบเชื้อเพลิง

เซมิคอนดักเตอร์แกลเลียมไนไตรด์ (GaN) พัฒนาไปไกลนับตั้งแต่เริ่มนำไปใช้ได้ในเชิงพาณิชย์ในฐานะไดโอดเปล่งแสงสีน้ำเงิน (LED) ที่มีความสว่างสูงในช่วงต้นทศวรรษ 1990 และต่อมาได้กลายเป็นเทคโนโลยีหลักสำหรับเครื่องเล่นออปติคัลดิสก์ Blu-ray เป็นเวลาเกือบสองทศวรรษก่อนที่เทคโนโลยีนี้จะสามารถใช้งานได้ในเชิงพาณิชย์สำหรับทรานซิสเตอร์แบบ field effect (FET) ที่มีประสิทธิภาพด้านพลังงานสูง

ปัจจุบัน GaN เป็นตัวแทนของกลุ่มอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ที่เติบโตเร็วที่สุดกลุ่มหนึ่ง โดยมีการประมาณการการเติบโตต่อปีแบบทบต้นตั้งแต่ 25% ถึง 50% โดยได้แรงหนุนจากความต้องการอุปกรณ์ที่มีประสิทธิภาพการใช้พลังงานมากขึ้น เพื่อให้บรรลุเป้าหมายด้านความยั่งยืนและการใช้พลังงานไฟฟ้า

ทรานซิสเตอร์ GaN สามารถใช้ในการออกแบบอุปกรณ์ที่มีขนาดเล็กกว่าและมีประสิทธิภาพสูงกว่าทรานซิสเตอร์แบบซิลิคอน เริ่มแรกใช้สำหรับระบบเครื่องขยายสัญญาณไมโครเวฟกำลังสูง การประหยัดต่อขนาดในการผลิต GaN และความสามารถในการสร้างเครื่องขยายเสียงขนาดเล็กและมีประสิทธิภาพมากขึ้นได้ขยายการใช้งานเพื่อสร้างตลาดอุปกรณ์มูลค่าหลายพันล้านดอลลาร์ซึ่งครอบคลุมการใช้งานของผู้บริโภค อุตสาหกรรม และการทหาร

เชื่อกันอย่างกว้างขวางว่า MOSFET แบบซิลิกอนได้มาถึงขีดจำกัดทางทฤษฎีสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังแล้ว ในขณะที่ GaN FET ยังคงมีศักยภาพที่ยอดเยี่ยมสำหรับความก้าวหน้าด้านประสิทธิภาพเพิ่มเติม เซมิคอนดักเตอร์ GaN มักใช้ซับสเตรตซิลิกอนคาร์ไบด์ (SiC) รองลงมาคือซิลิกอนซึ่งประหยัดกว่า หรือเพชรซึ่งมีประสิทธิภาพดีที่สุดและมีราคาแพงที่สุด อุปกรณ์ GaN ทำงานที่อุณหภูมิสูงกว่าโดยมีความคล่องตัวและความเร็วของอิเล็กตรอนสูงกว่าอุปกรณ์ที่ใช้ซิลิกอนและมีประจุการกู้คืนย้อนกลับต่ำหรือเป็นศูนย์

เซมิคอนดักเตอร์กำลังของ GaN มีความหนาแน่นของกำลังมากกว่าเซมิคอนดักเตอร์ของเครื่องขยายสัญญาณแกลเลียมอาร์เซไนด์ (GaAs) ประมาณห้าเท่า ด้วยประสิทธิภาพการใช้พลังงานตั้งแต่ 80% ขึ้นไป เซมิคอนดักเตอร์ GaN ให้พลังงาน แบนด์วิดท์ และประสิทธิภาพที่เหนือกว่าทางเลือกอื่น เช่น GaAs และเซมิคอนดักเตอร์โลหะออกไซด์แบบกระจายด้านข้าง (LDMOS) ปัจจุบันเทคโนโลยีนี้ถูกนำมาใช้ในการใช้งานที่หลากหลาย ตั้งแต่อะแดปเตอร์จ่ายไฟแบบชาร์จเร็วไปจนถึงอุปกรณ์ตรวจจับและกำหนดขอบเขตแสง (LiDAR) ที่รวมอยู่ในระบบช่วยเหลือผู้ขับขี่ขั้นสูง (ADAS) สำหรับรถยนต์

ศูนย์ข้อมูลเป็นตัวแทนของตลาดเกิดใหม่อีกแห่งหนึ่งสำหรับอุปกรณ์ที่ใช้ GaN ซึ่งสามารถตอบสนองความต้องการด้านการใช้พลังงานและการระบายความร้อนที่เพิ่มขึ้นด้วยต้นทุนที่ลดลง พร้อมทั้งช่วยแก้ไขข้อขัดแย้งด้านสิ่งแวดล้อมที่เพิ่มขึ้นซึ่งผู้ปฏิบัติงานต้องเผชิญในด้านกฎระเบียบและการเมือง

ผู้ผลิตเซมิคอนดักเตอร์และบริษัทวิจัยตลาดยังคาดการณ์ตลาดที่กำลังเติบโตสำหรับการใช้งานไฟฟ้าแรงต่ำและแรงสูงในยานพาหนะไฟฟ้า ตั้งแต่แบตเตอรี่ที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นไปจนถึงอินเวอร์เตอร์ยึดเกาะแบตเตอรี่

นั่นคือพื้นที่ที่ปัจจุบันถูกครอบงำโดยอุปกรณ์ SiC ซึ่งเหมือนกับ GaN ที่ถูกจัดประเภทเป็นสารกึ่งตัวนำแบบแถบความถี่กว้าง (WBG) ที่มีการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนสูง ซึ่ง "ช่วยให้ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์กำลังมีขนาดเล็กลง เร็วขึ้น เชื่อถือได้มากขึ้น และ มีประสิทธิภาพมากกว่าคู่แข่งที่ใช้ซิลิคอน (Si)"GaN มี bandgap ที่ 3.4 eV เทียบกับ 2.2 eV สำหรับ SiC และ 1.12 eV สำหรับ SI

เซมิคอนดักเตอร์กำลัง GaN และ SiC ทำงานที่ความถี่สูงกว่าและมีความเร็วในการสลับที่เร็วกว่าและมีความต้านทานการนำต่ำกว่าซิลิกอน อุปกรณ์ SiC สามารถทำงานที่แรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่าได้ ในขณะที่อุปกรณ์ GaN ให้การสวิตชิ่งที่รวดเร็วยิ่งขึ้นด้วยพลังงานที่ต่ำกว่า ช่วยให้นักออกแบบสามารถลดขนาดและน้ำหนักได้ SiC สามารถรองรับได้ถึง 1,200 โวลต์ ในขณะที่ GaN โดยทั่วไปถูกมองว่าเหมาะสมกว่าสำหรับสูงถึง 650 โวลต์ แม้ว่าเพิ่งเปิดตัวอุปกรณ์แรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่าก็ตาม

GaN สามารถให้พลังงานช่วงความถี่ได้ประมาณ 10 เท่า เมื่อเทียบกับ GaA และเซมิคอนดักเตอร์อื่นๆ (รูปที่ 1)

รูปที่ 1: การเปรียบเทียบอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังช่วงความถี่ไมโครเวฟ (ที่มา: Analog Devices, Inc.)

ข้อควรพิจารณาในการออกแบบ

มีการประมาณกันว่า 70% หรือมากกว่าของพลังงานไฟฟ้าที่ใช้ทั่วโลกได้รับการประมวลผลโดยอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง ด้วยคุณลักษณะ WBG ของ GaN ผู้ออกแบบสามารถสร้างระบบอิเล็กทรอนิกส์กำลังขนาดเล็กลง โดยใช้ความหนาแน่นของพลังงานที่สูงขึ้น ประสิทธิภาพที่เหนือกว่า และความเร็วในการสวิตชิ่งที่รวดเร็วเป็นพิเศษ

เทคโนโลยีดังกล่าวทำให้เกิดนวัตกรรมในตลาดต่างๆ มากมาย รวมถึงอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง ยานยนต์ การจัดเก็บพลังงานแสงอาทิตย์ และศูนย์ข้อมูล และอื่นๆ อีกมากมาย อุปกรณ์ GaN มีความทนทานต่อรังสีสูง เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานทางทหารและการบินและอวกาศที่เกิดขึ้นใหม่

นักออกแบบอิเล็กทรอนิกส์บางรายอาจหลีกเลี่ยงอุปกรณ์ไฟฟ้า GaN เนื่องจากความเข้าใจผิดเกี่ยวกับต้นทุนวัสดุ ในขณะที่การผลิตสารตั้งต้น GaN ในตอนแรกนั้นสูงกว่า Si มาก แต่ความแตกต่างนั้นก็ลดลงอย่างมาก และการใช้วัสดุพิมพ์ที่แตกต่างกันช่วยให้นักออกแบบสามารถค้นหาการแลกเปลี่ยนที่ดีที่สุดระหว่างต้นทุนและประสิทธิภาพ

GaN-on-SiC นำเสนอศักยภาพทางการตลาดที่กว้างขวางที่สุดสำหรับนักออกแบบโดยมีการแลกต้นทุนและประสิทธิภาพที่ดีที่สุด อย่างไรก็ตาม ด้วยตัวเลือก GaN-on-Si และ GaN-on-diamond ผู้ออกแบบผลิตภัณฑ์สามารถเลือกวัสดุพิมพ์ที่เหมาะสมที่สุดเพื่อให้ตรงกับความต้องการด้านราคา/ประสิทธิภาพขององค์กรและลูกค้าของตน

เนื่องจากอัตราการสลับของ GaN ที่สูงมาก นักออกแบบจึงจำเป็นต้องให้ความสนใจเป็นพิเศษกับการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) และวิธีที่จะสามารถบรรเทาผลกระทบในรูปแบบลูปกำลัง ตัวขับเกตแบบแอคทีฟซึ่งจำเป็นสำหรับการป้องกันแรงดันไฟฟ้าเกิน สามารถลด EMI จากการเปลี่ยนรูปคลื่นได้

ปัญหาการออกแบบที่สำคัญอีกประการหนึ่งคือการเหนี่ยวนำและความจุของปรสิตซึ่งอาจส่งผลให้เกิดการกระตุ้นที่ผิดพลาด การเพิ่มความได้เปรียบด้านประสิทธิภาพสูงสุดขึ้นอยู่กับรูปแบบที่เหมาะสมที่สุดของลูปกำลังด้านข้างและแนวตั้ง และการจับคู่ความเร็วของไดรเวอร์กับความเร็วของอุปกรณ์

นักออกแบบยังต้องปรับการจัดการระบายความร้อนให้เหมาะสมเพื่อป้องกันความร้อนที่มากเกินไปซึ่งอาจส่งผลต่อประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือ บรรจุภัณฑ์ควรได้รับการประเมินความสามารถในการลดการเหนี่ยวนำและกระจายความร้อน

Analog Devices มีผลิตภัณฑ์เครื่องขยายสัญญาณ GaN

ระบบอิเล็กทรอนิกส์จำเป็นต้องมีการแปลงระหว่างแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายพลังงานและแรงดันไฟฟ้าของวงจรที่จำเป็นต้องจ่ายไฟ บริษัทเซมิคอนดักเตอร์ชั้นนำมายาวนานอย่าง Analog Devices, Inc. (ADI) มุ่งหวังที่จะมอบประสิทธิภาพเครื่องขยายสัญญาณเสียง GaN ชั้นนำของอุตสาหกรรมควบคู่ไปกับการสนับสนุน ช่วยให้นักออกแบบบรรลุเป้าหมายด้านประสิทธิภาพสูงสุด และรับโซลูชันออกสู่ตลาดได้เร็วขึ้น

ตัวขับเกตและตัวควบคุมสเต็ปดาวน์ (หรือบั๊ก) เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการเพิ่มประโยชน์ของอุปกรณ์จ่ายไฟ GaN ให้สูงสุด ไดรเวอร์ GaN แบบฮาล์ฟบริดจ์เพิ่มประสิทธิภาพการสวิตชิ่งและประสิทธิภาพโดยรวมของระบบไฟฟ้า คอนเวอร์เตอร์สเต็ปดาวน์ DC เป็น DC จะแปลงแรงดันไฟฟ้าอินพุตที่สูงขึ้นไปเป็นแรงดันเอาต์พุตที่ต่ำกว่า

ADI นำเสนอผลิตภัณฑ์รุ่น LT8418 ซึ่งเป็นไดรเวอร์ GaN แบบฮาล์ฟบริดจ์ 100 V ที่รวมสเตจไดรเวอร์ด้านบนและด้านล่าง การควบคุมตรรกะของไดรเวอร์ การป้องกัน และสวิตช์บูตสแตรป (รูปที่ 2) สามารถกำหนดค่าเป็นบั๊กฮาล์ฟบริดจ์แบบซิงโครนัสหรือโทโพโลยีบูสต์ได้ ไดรเวอร์แบบแยกประตูจะปรับอัตราการเปิดและปิดของ GaN FET เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของ EMI

รูปที่ 2: แผนผังของคอนเวอร์เตอร์ DC/DC แบบสวิตช์ที่ใช้ LT8418 GAN ของ ADI (ที่มา: Analog Devices, Inc.)

อินพุตและเอาต์พุตไดรเวอร์ ADI GaN มีสถานะต่ำเริ่มต้นเพื่อป้องกันการเปิดใช้งาน GaN FET ที่ผิดพลาด ด้วยการหน่วงเวลาการแพร่กระจายที่รวดเร็วที่ 10 ns พร้อมด้วยการจับคู่การหน่วงเวลา 1.5 ns ระหว่างช่องด้านบนและด้านล่าง LT8418 จึงเหมาะสำหรับตัวแปลง DC/DC ความถี่สูง ไดรเวอร์มอเตอร์ เครื่องขยายเสียงคลาส D แหล่งจ่ายไฟของศูนย์ข้อมูล และการใช้งานด้านพลังงานที่หลากหลายในตลาดผู้บริโภค อุตสาหกรรม และยานยนต์

ผลิตภัณฑ์รุ่น LTC7890 และ LTC7891 (รูปที่ 3) เป็นตัวควบคุมสวิตช์ DC-to-DC แบบสเต็ปดาวน์ประสิทธิภาพสูงแบบคู่และเดี่ยวตามลำดับ สำหรับการขับเคลื่อนสเตจพลังงาน GaN FET แบบซิงโครนัส N-channel จากแรงดันไฟฟ้าอินพุตสูงถึง 100 V คอนโทรลเลอร์เหล่านี้มีจุดมุ่งหมายเพื่อจัดการกับความท้าทายหลายประการที่นักออกแบบเผชิญโดยใช้ GaN FET ทำให้การออกแบบการใช้งานง่ายขึ้น โดยไม่จำเป็นต้องมีไดโอดป้องกันหรือส่วนประกอบภายนอกเพิ่มเติมอื่นๆ ที่มักใช้ในโซลูชัน MOSFET ซิลิกอน

รูปที่ 3: อุปกรณ์ควบคุมสเต็ปดาวน์ LTC7891 ของ ADI (ที่มา: Analog Devices, Inc.)

อุปกรณ์ควบคุมแต่ละตัวช่วยให้นักออกแบบสามารถปรับแรงดันไฟฟ้าของตัวขับเกตได้อย่างแม่นยำตั้งแต่ 4 V ถึง 5.5 V เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการทำงาน และอนุญาตให้ใช้ GaN FET และ MOSFET ระดับตรรกะที่แตกต่างกันได้ สวิตช์บูตสแตรปอัจฉริยะภายในป้องกันการชาร์จไฟเกินของพิน BOOSTx ไปยังไดรเวอร์ฝั่งสูงของพิน SWx ในช่วงเวลาที่ไม่ทำงาน ปกป้องประตูของ GaN FET ด้านบน

ส่วนประกอบทั้งสองเพิ่มประสิทธิภาพการจับเวลาของไดรเวอร์เกตภายในบนขอบการสลับทั้งสองเพื่อให้เวลาตายใกล้เป็นศูนย์ ปรับปรุงประสิทธิภาพ และช่วยให้สามารถดำเนินการความถี่สูงได้ นักออกแบบยังสามารถปรับเวลาตายด้วยตัวต้านทานภายนอก อุปกรณ์ดังกล่าวมีจำหน่ายพร้อมปีกด้านข้างแบบเปียกได้ในแพ็คเกจไร้สารตะกั่ว (QFN) แบบสี่ทรงแบน แผนผังแสดงวงจรการใช้งานทั่วไปที่มีการกำหนดค่า LTC7890 40 ลีด 6 mm x 6 mm (รูปที่ 4) และการกำหนดค่า LTC7891 4 mm x 5 mm (รูปที่ 5) 28 ลีด

รูปที่ 4: แผนผังวงจรการใช้งานทั่วไปกับ LTC7890 ของ ADI (ที่มา: Analog Devices, Inc.)

รูปที่ 5: แผนผังของตัวควบคุมแบบสเต็ปดาวน์โดยใช้ LTC7891 28 ลีด ของ ADI (ที่มา: Analog Devices, Inc.)

นักออกแบบยังสามารถใช้ประโยชน์จากพอร์ตโฟลิโอของเครื่องมือการจัดการพลังงาน ADI เพื่อให้บรรลุเป้าหมายด้านประสิทธิภาพแหล่งจ่ายไฟและเพิ่มประสิทธิภาพบอร์ด ชุดเครื่องมือประกอบด้วยเครื่องคำนวณตัวต้านทานบั๊กแบบแปรผัน ตัวกำหนดค่ากำลังของสายสัญญาณ และสภาพแวดล้อมการพัฒนาบน Windows

สรุป

GaN เป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่สามารถเปลี่ยนแปลงได้ซึ่งใช้ในการผลิตส่วนประกอบที่มีความหนาแน่นของพลังงานสูง ความเร็วในการสวิตชิ่งที่รวดเร็วเป็นพิเศษ และประสิทธิภาพการใช้พลังงานที่เหนือกว่า ผู้ออกแบบผลิตภัณฑ์สามารถใช้ประโยชน์จากผลิตภัณฑ์ไดรเวอร์เกต GaN FET ของ ADI เพื่อสร้างระบบที่เชื่อถือได้และมีประสิทธิภาพมากขึ้นโดยใช้ส่วนประกอบน้อยลง ส่งผลให้ระบบมีขนาดเล็กลงโดยมีพื้นที่ใช้งานและน้ำหนักลดลง