Полевые транзисторы с изолированным затвором на основе кремния (MOSFET) с 1960-х годов являются стандартом в силовой электронике. Однако развитие различных технологий - особенно в автомобильной и потребительской электронике — создало новые вызовы для разработчиков, стремящихся обеспечить более высокую эффективность и большую плотность мощности при всё более компактных форм-факторах. Источники питания — от крупных дата-центров и сетевых адаптеров до автомобильных зарядных станций — требуют высоких напряжений при минимальном занимаемом месте на плате. Беспилотные автомобили также нуждаются в более эффективном распределении энергии для питания множества камер и датчиков, используемых для навигации и обнаружения препятствий. И хотя потенциал кремниевых полупроводников в высоконагруженных применениях практически исчерпан, транзисторы на основе нитрида галлия (GaN) становятся всё более предпочтительным решением для подобных задач.
Понимание GaN HEMT
GaN HEMT (транзисторы с высокой подвижностью электронов на основе нитрида галлия) не всегда являются лучшей альтернативой кремниевым MOSFET, карбид-кремниевым (SiC) MOSFET или IGBT (биполярным транзисторам с изолированным затвором). Однако они особенно эффективны в приложениях, где требуется высокая частота в среднем диапазоне напряжений. Наиболее распространёнными являются 600-вольтовые GaN FET, применяемые в источниках питания для персональных компьютеров, потребительской электроники, базовых станций и устройств беспроводной зарядки. В то время как SiC MOSFET могут обеспечивать до 1200 В, что делает их более подходящими для более мощных приложений — таких как автомобильные тяговые инверторы и солнечные электростанции. Хотя GaN HEMT уступают SiC MOSFET по мощности, они работают на частотах выше 200 кГц, что обеспечивает более быструю коммутацию и меньшие потери при передаче. А благодаря сходной плотности мощности с традиционными кремниевыми MOSFET, но возможности работы на более высоких частотах, они идеальны для беспроводной зарядки. SiC MOSFET и IGBT более подходят для систем, где важна большая мощность, но допускаются меньшая эффективность и большие размеры (например, электромобили или промышленное оборудование), а также для энергоёмких потребителей, как серверные фермы.
Более того, GaN HEMT выпускаются в меньших форм-факторах по сравнению с традиционными MOSFET, а их производство и эксплуатация обходятся дешевле. Сырьё для GaN-устройств значительно дешевле, чем для SiC. Например, для производства GaN требуется меньше тепла, что экономит энергию на этапе изготовления. Кроме того, GaN-устройства изготавливаются на кремниевых подложках, как и большинство интегральных схем, что позволяет использовать уже существующие производственные линии с минимальными переделками. В эксплуатации такие транзисторы потребляют меньше энергии, требуют меньшего охлаждения и, как следствие, уменьшают эксплуатационные расходы по сравнению с SiC MOSFET.
Один из недостатков GaN HEMT — необходимость использования драйверов затвора в некоторых схемах из-за узкого диапазона рабочего напряжения. При напряжении ниже 2 В устройство может самопроизвольно включиться, а при слишком высоком — повредить затвор. Оптимальное напряжение затвора для GaN — от 4,5 до 6 В: меньше — не включится, больше — может сгореть. Внешние драйверы позволяют получить максимальную производительность, но занимают дополнительное место на плате, что необходимо учитывать при проектировании. Однако из-за меньшего тепловыделения и снижения требований к охлаждению использование GaN может существенно сократить расходы на энергию и обслуживание.
Несмотря на вышеуказанные ограничения, их можно преодолеть. Одно из преимуществ GaN HEMT — возможность интеграции на той же подложке с другими ИС, что позволяет встроить, например, схемы управления напряжением затвора, предотвращая как недостаточное напряжение, так и его превышение. Интегрированное решение стоит дешевле, занимает меньше места, уменьшает паразитные эффекты и упрощает разводку платы. С точки зрения производительности, интеграция помогает сохранить (а иногда и улучшить) частотные преимущества GaN HEMT по сравнению с дискретными конфигурациями. Также повышается надёжность, что особенно важно для систем питания.
650-вольтовые интегральные схемы ROHM Semiconductor Nano Cap™ на основе GaN HEMT сочетают в себе высокую плотность мощности и эффективность GaN с кремниевым драйвером в полностью интегрированном решении. Эти микросхемы подходят не только для источников питания средней мощности, как, например, зарядные устройства базовых станций и адаптеры, но и для промышленных применений и источников питания высокой плотности. Благодаря низким требованиям к охлаждению, такие решения уменьшают необходимость в радиаторах и других элементах отвода тепла, что дополнительно экономит место на плате. Не исключено, что в будущем меньшие размеры и высокая эффективность GaN-решений позволят им вытеснить кремниевые аналоги, особенно при совместном использовании с драйверами затвора. Для мобильных приложений, требующих сверхвысоких частот и минимальных потерь, Nano Cap 650V от ROHM — это комплексное и эффективное решение.
Итоги
GaN HEMT на основе нитрида галлия представляют собой перспективное направление в области силовых полупроводников, предлагая повышение эффективности и снижение затрат в широком спектре применений — от потребительской электроники до систем энергоснабжения. С продолжающимся развитием и возможностями интеграции, такие решения, как у ROHM Semiconductor, имеют потенциал радикально изменить облик силовой электроники.