"Akademik Belge" GaN FET'in yapısı, sürüşü ve uygulamasına genel bakış
Özet:
Güç elektroniği cihazlarının minyatürleştirilmesi ve ağırlık azaltılmasıyla, geniş bant aralıklı yarı iletken cihazların GaN FET'lerin Si cihazlara göre avantajları, güç elektroniği alanındaki uygulamalarını yaygın olarak dikkat çekmektedir. GaN FET'in geliştirilmesinde, yapısı ve sürücüsü, güvenlik uygulamaları için kritik öneme sahiptir. İlk olarak, mevcut GaN FET cihazlarının ana yapısını, çalışma prensibini ve ürün durumunu tanıtır; ikincisi, sürücü devresinin izolasyon yöntemini, yaygın olarak kullanılan ayrık sürücü devresinin ve entegre sürücü devresinin yapısını ve prensibini özetler; FET'in güç elektroniği alanındaki uygulaması özetlenmiştir.
Çince alıntı biçimi: Wu Wenjun, Lan Xuemei. GaN FET'in yapısı, sürücüsü ve uygulamasına genel bakış. Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2020, 46 (1): 22-29, 38.
İngilizce alıntı biçimi: Wu Wenjun, Lan Xuemei. GaN FET yapısı, sürüş ve uygulamasına genel bakış. Elektronik Tekniğin Uygulanması, 2020, 46 (1): 22-29, 38.
0 Giriş
Galyum nitrür (GaN), üçüncü nesil geniş bant aralıklı yarı iletken bir malzemedir ve yarı iletken cihaz özellikleri, yüksek sıcaklık, yüksek basınç, yüksek frekans ve diğer uygulamalarda Si bazlı yarı iletken cihazlardan daha iyidir, bu nedenle güç elektroniği uygulama alanında çok popülerdir. Dikkat.
GaN malzemeden üretilen GaN FET güç cihazı, düşük arıza voltajı, düşük eşik voltajı, düşük kapı şarjı Qg, yüksek anahtarlama frekansı ve düşük açık dirence sahiptir. GaN FET'in üstün özellikleri, cihaz yapısı ile büyük bir ilişkiye sahiptir. Ancak eksiklikleri göz ardı edilemez.Yüksek frekanslı uygulamalarda çok belirgindir.Örneğin parazitik parametrelere karşı son derece hassastır.Yüksek frekans kullanımında kapı geriliminin salınımına neden olarak kapı aşırı gerilimine neden olmak ve cihazın kararsız çalışmasına neden olmak kolaydır. Güvenli bile değil. Bu nedenle, geleneksel Si tabanlı yarı iletken cihaz sürücü devreleri ile karşılaştırıldığında, GaN FET'lerin sürücü gereksinimleri daha katıdır. GaN FET'lerin ilerlemesi ve uygulama gelişimi, cihaz yapısı ve sürücü devresinden ayrılamaz, bu nedenle cihaz yapısı ve sürücü devresi üzerine yapılan araştırmalar çok anlamlıdır. Bu makale, mevcut yerli ve yabancı GaN FET cihaz yapısını, sürücü devresini ve motor sürücü, LED sürücü, fotovoltaik invertör, POL ve diğer durumlardaki uygulamalarını özetleyecektir.
1 GaN FET cihaz yapısı ve çalışma prensibi
GaN FET cihazının yapısı şu anda ağırlıklı olarak bir tükenme modu (D modu) ve bir geliştirme modu (E modu) içerir. Geliştirme modu GaN FET, monomerik GaN ve Cascade GaN (cascode) olarak ikiye ayrılır.
1.1 Tükenme Modu GaN FET
GaN FET tükenme modu cihaz yapısı Şekil 1'de gösterilmektedir. Tükenme modu GaN FET, GaN FET'in substratı olarak Si malzemesini kullanır ve Si substratı üzerinde, yani bir galyum nitrür kanal katmanı (GaN kanalı) üzerinde yüksek dirençli bir GaN kristal katmanı büyütülür. Genel olarak, cihazı substrattan izole etmek için GaN katmanı ile Si substrat katmanı arasına bir galyum nitrür tampon katmanı (GaN tamponu) olarak bir alüminyum nitrür (AIN) yalıtım katmanı eklenir. AlGaN tabakası, GaN tabakası ile geçit (G), kaynak (S) ve drenaj (D) arasında bulunur; AlGaN tabakası ile GaN tabakası arasında yüksek elektron hareketliliği ve düşük dirençli iki boyutlu elektron gazı üretilebilir ( İki Boyutlu Elektron Gazı, 2DEG) ve konsantrasyonu, önce AlGaN kalınlığı ile doğrusal olarak artar ve sonra doygunluğa ulaşır.
Geleneksel Si cihazlarının aksine, tükenme modlu GaN FET'ler, nitrürün son derece güçlü polarizasyon etkisine bağlı olarak spontan polarizasyon ve piezoelektrik polarizasyon etkileri yoluyla arayüzde yüksek konsantrasyonlu 2DEG iletken kanallar oluşturabilir. Sıfır geçit voltajında, cihaz iletken bir durumdadır. Bu nedenle, genellikle negatif basınçlı kapatma gereklidir. Tükenme modu GaN FET, Si MOSFET'ten farklıdır, çünkü kapının altındaki S kutbuna bağlı P tipi parazitik bipolar bölge yoktur, bu nedenle parazitik gövde diyotu yoktur, bu nedenle cihaz düşük anahtarlama kaybına ve simetrik iletim özelliklerine sahiptir. Bu nedenle, GaN FET, pozitif geçit kaynağı voltajı VGS veya pozitif kapı boşaltma voltajı VGD ile çalıştırılabilir.
1.2 Gelişmiş GaN FET
Tükenme modu GaN FET'leri için, cihazı kapatmak için bir negatif geçit voltajı eklenmelidir. Bu, devrede bir tükenme modu GaN FET olduğunda, kapı sürücü tasarımının karmaşıklığını artıracağı ve devre kararlılığını ve güvenliğini azaltan potansiyel geçiş tehdidine sahip yanlış iletime yatkın olduğu anlamına gelir. İyileştirme modu GaN FET'leri tersine, yalnızca devre karmaşıklığını azaltan ve daha iyi kararlılık ve güvenliğe sahip olan pozitif bir önyargı uygulandığında açılabilirler. Şu anda, GaN FET geliştirme modu esas olarak tükenme modu yüksek elektron hareketlilik transistörü (Galyum Nitrür Yüksek Elektron Hareketlilik Transistörü, GaN HEMT) yapısı temelinde geliştirilmiştir. Mevcut ana geliştirme modu GaN FET yapı çözümleri şunları içerir: P-tipi kapı, oluk kapısı, Kaskod yapısı vb.
1.2.1 P-tipi kapı yapısı
Birçok bilim insanı, Şekil 2'de gösterildiği gibi P-geçit yapısına sahip GaN FET'leri inceledi. Tükenme tipinden farklı olarak, P-tipi kapı yapısı, Şekil 2'deki P-GaN tabakası gibi AlGaN bariyer tabakası üzerinde pozitif yüklü bir P-tipi GaN geçidi büyütür. P-tipi GaN katmanı, normalde kapalı karakteristiğe ulaşmak için 2DEG'yi tüketmek için AlGaN bariyer katmanının enerji bandını yukarı çekebilir. Yeterli pozitif VGS uygulandığında, kapı kaynağı voltajı eşik voltajından daha büyüktür, P-GaN katmanının dahili elektrik alanı zayıflar, 2DEG konsantrasyonu yükselir, bir iletim kanalı oluşur ve GaN FET cihazı açılır. VGS azaldıkça ve eşik voltajından düşük olduğunda, kanal kademeli olarak kapanır ve GaNFET cihazı kapanır. Bu nedenle, bu yapı esas olarak P-tipi kapı bariyerinin potansiyelini kontrol ederek, AlGaN bariyer katmanının enerji bandını yükselterek ve düşürerek ve 2DEG konsantrasyonunu değiştirerek GaNFET cihazının açma-kapama kontrolünü gerçekleştirir.
P-tipi kapı yapısına dayanan literatür, Şekil 3'te gösterildiği gibi, Schottky temasını sağlamak için üç katmanlı bir maskeyle bir kapı yapısı oluşturmak için P-GaN katmanına yerleştirilecek TiN metalini kullanır. Bu yapı, yüksek voltajlı uygulama alan plakaları tasarlama esnekliğini artırabilen ızgara alan plakalarına sahiptir. Deneyler, bu yapının, yüksek drenaj kaynağı voltajı VDS'de düşük geçit direnci ve azaltılmış on-direnç RDS-ON avantajlarına sahip olduğunu ve ohmik kontaklar kullanan P-GaN yapısı ile karşılaştırıldığında, bu yapının geçit kaçak akımını azalttığını kanıtlamıştır.
1.2.2 Yiv ızgara yapısı
Yivli kapı yapısı Şekil 4'te gösterilmektedir. Bu yapı, kapının altındaki bölgedeki AlGaN bariyer katmanının belirli bir kalınlığını aşındırmak için endüktif olarak bağlanmış plazma (Inductively Couple Plasma, ICP) kuru aşındırma teknolojisi kullanır. AlGaN bariyer katmanının kalınlığı, Kalınlık belirli bir seviyeye düştüğünde, kanaldaki 2DEG konsantrasyonu yeterince düşük olacaktır. Girintili kapının altındaki tüm AlGaN bariyer tabakası kaldırılır, kapının altındaki 2DEG kaybolur ve kapı dielektriği olarak kapı metalinin altına bir Al2O3 filmi yerleştirilir, bu da daha küçük ve daha küçük cihaz boyutlarının neden olduğu ciddi geçit kaçak akımlarını önleyebilir. Düşük arıza voltajı gibi sorunlar. Sıfır geçit voltajında, 2DEG konsantrasyonu ihmal edilebilir derecede küçüktür ve cihaz kapalı durumdadır. Sadece pozitif geçit voltajı uygulandıktan sonra, iletken kanal geri yüklenecek ve cihaz açılacak, yani gelişmiş özellikler gerçekleştirilecektir. Ancak kapının altındaki bariyer tabakası kaldırıldığında, AlGaN bariyer tabakasının diğer alanları inceltilmez ve 2DEG konsantrasyonu orijinal seviyede kalır. Bu nedenle, çentik geçidi teknolojisi ile yapılan GaN FET, doyma akımı ve geçiş iletkenliğinde avantajlara sahiptir.
1.2.3 Kaskod yapısı
Kaskod yapısı, Şekil 5'te gösterildiği gibi, yüksek voltaj tükenme modu GaN HEMT ve düşük voltaj geliştirme modu Si MOSFET (Metal Oksit Yarı İletken Alan Etkili Transistör) kademeli olarak oluşur.
Yapıdan görülebileceği gibi, cihaz bir geçit voltajı eklemediğinde ve drenaj kaynağı voltajı sıfırdan büyük olduğunda ileri bloke modunda çalışmaktadır; kapı voltajı Si MOSFET'in eşik voltajından büyük olduğunda, cihaz ileri iletken; Si MOSFET ters iletken olduğunda, Cihaz, ters iletken modda çalışacaktır. Ve Si MOSFET'in boşaltma kaynağı voltajı Vds_Si, GaN HEMT'in kapı kaynağı voltajı Vgs_GaN için negatif bir ön gerilim voltajı sağladığından, Si MOSFET'in açılıp kapanması GaN HEMT'in açılıp kapanmasını kontrol etmek için kontrol edilebilir. Elbette bu yapıya silikon esaslı cihazların girmesi nedeniyle paketleme gereksinimleri daha yüksek ve hacim daha büyüktür. GaNFET'in diğer yapılarıyla karşılaştırıldığında, Cascode GaNFET daha yüksek voltaj seviyesine ve daha geniş bir sürüş voltaj aralığına sahiptir, ancak dv / dt ve di / dt'ye duyarlıdır.Özellikle yüksek frekanslarda aşırı ortak kaynak endüktansı cihaza neden olabilir. hasar. Andrew ve diğerleri, Şekil 6'da gösterildiği gibi tükenme modu GaN HEMT'yi çalıştırmak için akıllı bir kapı sürücüsünü Si MOSFET ile entegre ederek akıllı bir Cascade GaNFET oluşturdu. Akıllı Cascade GaNFET, yerleşik akım algılama, ayarlanabilir çıkış direnci, ayarlanabilir akım algılama oranı ve akıllı dijital kontrole sahiptir. Deneyler, bu gelişmiş Kaskod yapısının kapı salınımını azaltabileceğini, yüksek voltaj ve akım dönüş hızını azaltabileceğini, dv / dt ve di / dt problemlerini çözebileceğini ve dinamik anahtarlama teknolojisini kullanarak EMI'yi optimize edebileceğini göstermektedir.
2 GaN FET ürünlerinin mevcut durumu
Şu anda, tükenme modu GaN FET'leri üreten başlıca şirketler Amerika Birleşik Devletleri'nin Cree'sidir.Ürünlerinin ana parametreleri Tablo 1'de gösterilmiştir. GaN HEMT tükenme modunun uygulanmasını teşvik etmek için, Transphorm bir Cascode yapısı GaN FET'i piyasaya sürmüştür. Tablo 1'den, Cree'nin GaN FET'inin eşik voltajının negatif olduğu ve sıfır geçit voltajı altında normal olarak açık karakteristiğini tam olarak yansıttığı görülebilir.
Hong Kong, Çindeki EPC, Kanadadaki GaN Systems ve Japonyadaki Panasonicin de dahil olduğu nispeten çok sayıda gelişmiş GaN FET üreticisi vardır. Bunların ana parametreleri Tablo 2'de gösterilmiştir. Tablo 2'den, GaN FET ürünleri geliştirme modu arasında GaN Systems'in daha yüksek bir voltaj ve akım seviyesine sahip olduğu, ancak daha düşük bir eşik voltajına sahip olduğu; EPC'nin voltaj seviyesinin daha düşük, sürüş voltajı aralığının en dar olduğu ve iletim kaybının daha büyük olduğu görülebilir, ancak Boşaltma akımı seviyesi en yüksektir; Panasonicin voltaj ve akım seviyeleri en düşüktür ve eşik voltajı en düşüktür, ancak daha hızlı açılır; Transphormun voltaj seviyesi daha yüksek, sürüş aralığı en geniş ve eşik voltajı daha yüksek olduğundan kullanımı daha güvenli hale getirir.
Tablo 3, GaN FET'lerin ana paketleme formlarını göstermektedir.Tablodan, geliştirme modu GaN FET'lerin paketleme yapısında çip tipinin daha fazla kullanıldığı ve hat içi tipin daha az olduğu görülmektedir. Yama tipinin dış pinlerinin parazitik etkisi daha az etkiye sahiptir, ancak ısı dağılımına elverişli değildir; sıralı tip bunun tersidir ve ısı yayma yeteneği daha iyidir, ancak genellikle yüksek frekanslarda parazitik parametrelere duyarlıdır.
Ek olarak, tek GaN cihazlarına ek olarak, entegre GaN modülü ürünleri vardır. Şu anda, GaN'nin en entegre biçimi, esas olarak EPC ve GaN Systems tarafından üretilen GaN yarım köprü modülüdür. Bunlar arasında, EPC2104 (100 V, 30 A) ve GS66508T (650 V, 30 A), iki şirketin en yüksek dereceli GaN yarı köprü modülü ürünleridir.
3 GaN FET sürücüsü
3.1 İzolasyon yöntemi
Tahrik devresi, ana devre ile kontrol devresi arasında bulunur, çıkışı ana devre ile bir bağlantı ilişkisine sahiptir ve girişi kontrol devresine bağlanır. Bu nedenle, tahrik devresi genellikle yalıtılmış bir tasarım gerektirir. Genel izolasyon yöntemleri temel olarak optocoupler izolasyonu ve transformatör izolasyonu olarak ikiye ayrılır. Şu anda, transformatör izolasyonu ile karşılaştırıldığında, GaN FET sürücü devrelerinin izolasyonu optocoupler izolasyonunu daha fazla kullanır. Optocoupler izolasyonunun parametre tasarımı nispeten basittir, ancak çıktısının sürücü gücünü izole etmesi gerekir. Şu anda, GaN FET sürücü devrelerinin sınıflandırması, esas olarak ayrık bileşenlerden oluşan sürücü devrelerinden ve esas olarak entegre cihazlardan oluşan sürücü devrelerinden oluşur.
3.2 Sürücü devresinin temel gereksinimleri
GaN FET geliştirme modunun düşük geçit kaynağı voltajı VGS, düşük eşik voltajı VTH ve parazitik parametreleri, geleneksel Si sürücü devresini artık GaN için uygun hale getirmez.GaNFET'in sürücü gereksinimleri daha katıdır ve sürücü devresi en azından aşağıdaki üç işleve sahiptir : (1) Sürüş sinyalinin güvenilirliği. Sürüş sinyalinin güvenilirliği sürüş devresi için çok önemlidir Sürüş sinyali kararsız olduğunda, GaN cihazına zarar verme olasılığı çok yüksektir. Bu nedenle, sürücü sinyallerinin güvenilir bir şekilde iletilmesini sağlamak gereklidir. Genel olarak, bir iletişim sisteminde veya kullanım frekansı megahertz seviyesinin üzerinde olduğunda, sürücü sinyallerini iletmek için yaygın olarak Drive-by-Mcrowave (DBM) teknolojisi kullanılır.
(2) Anti-parazit performansı. GaN FET'in düşük eşik voltajı, onu di / dt, dv / dt ve parazitik endüktansa son derece duyarlı kılar Sürücünün bağışıklığı iyi değilse, anahtarlama frekansındaki artış sadece cihaz kaybını artırmakla kalmaz, aynı zamanda ciddi durumlarda cihaza da zarar verir. Bu nedenle, sürücünün daha iyi gürültü bağışıklığına ihtiyacı vardır. Genel olarak, sürücü bağışıklığını iyileştirmek için ortak kaynak endüktansının azaltılması ve sürücü direncinin artırılması gibi yöntemler benimsenir.
(3) Boşaltma kaynağı döngüsünün parazitik endüktansı küçüktür. GaN FET'in kapı sinyalinin gürültüsü ve salınımı çok güçlüdür Döngünün parazitik endüktansı çok büyük olduğunda, kapatma sırasında aşırı gerilim ve parazitik osilasyon ortaya çıkacak ve ek kayıpla sonuçlanacaktır. Bu nedenle, sürücü döngüsü optimize edilebilir ve parazitik endüktans azaltılabilir.
3.3 Ayrık GaN FET sürücü devresi
Geliştirme modu GaN FET'in genel ayrık sürücü devresi Şekil 7'de gösterilmektedir. Ayrık sürüş devresi, sürüş güç kaynağı VCC, PWM sinyali, izolasyon ve kapı direnci RG gibi temel parçalardan oluşur. İlk birkaç parça esas olarak GaN FET için sürüş voltajı VGS sağlar.
Şekil 8, GaN FET tepe kıskaç sürücü devresini gösterir. Kapıyı kelepçelemek için bir diyot-direnç-kapasitör ağı ekleyerek, bu kelepçe devresi, açma işlemi sırasında geçit voltajı tepe noktasını ve boşaltma akımı tepe noktasını etkili bir şekilde bastırabilir. Bunların arasında, R1 ve C1, cihazı hızlı bir şekilde değiştirebilir ve kapı voltajı tepe noktasını bastırabilir, ancak kapatma işlemi sırasında negatif bir geçit voltajı yükselmesi üretecektir; bu nedenle, kapanma sırasında C1'in deşarj oranını artırmak için D1 ve R3 dalını kullanın ve daha fazla R3 Daha büyük, daha hızlı C1 deşarjı.
Literatür, Şekil 9'da gösterildiği gibi, GaN FET'ler için ters iletim kayıplarını azaltan yeni bir geçit sürücü devresi önermektedir. Yazar, Şekil 9'daki noktalı çizgide gösterildiği gibi, direnç R3, kapasitör C3, P-kanallı MOSFET kendinden uyarmalı anahtar Q1 ve diyot Dg'den oluşan bir devre eklemiştir. Bunlar arasında C3 ve R3 değerleri C2 ve R2 değerlerinden çok daha büyüktür, bu nedenle C2, C3'ten çok daha hızlı şarj olur ve deşarj olur. Kapatıldığında, voltaj bölücü sürücüde iyileştirmeden önce, voltaj bölücü kapasitör C2'de depolanan yük, yüksek bir negatif VGS oluşturacak ve ters iletim kaybını artıracaktır. İyileştirmeden sonra, devrenin eklenen kesikli kısmı C2'yi boşaltabilir ve VGS'yi neredeyse sıfıra düşürebilir. Ek olarak, VGS, Dg diyotunun ileri voltaj düşüşü ile sınırlıdır. Bu nedenle sürücü tasarımı, cihazın ters özelliklerinden kaynaklanan kaybı etkili bir şekilde azaltır.
Literatür, Transphorm'un çift yönlü GaN'sine dayanmaktadır ve Şekil 10'da gösterildiği gibi, dv / dt dirençli çift yönlü bir GaN FET sürücü devresi tasarlamıştır. Dijital izolatör, yüksek dv / dt'nin etkisini önleyebilen yüksek ortak mod geçici bağışıklığına sahiptir; geçit voltajının salınımını bastırmak için ferrit boncuklar kullanılır; tampon devre, aşırı gerilimin bastırılması için cihazın yanına yerleştirilir.
Şu anda, mevcut değişken geçit sürücüsü, geçici dönem sırasında veya dışında her anahtarlama olayının yalnızca tek sürücü parametresini değiştirebilirken, literatürde tasarlanan aktif sürücü, anahtarlama geçişi sırasında 0.12 ~ 64 etkinleştirebilir. Herhangi bir yukarı çekme veya aşağı çekme kapısı sürücü çıkış direnci arasında ve 6.7 GHz'lik etkili bir direnç güncelleme oranı elde etme arasında devre Şekil 11'de gösterilmektedir. Deneyler, açık döngü aktif kapı sürücüsünün düşük anahtarlama kayıplarını koruyabildiğini, aşımı, salınımı ve EMI'yi azaltabildiğini göstermektedir.
3.4 Entegre GaN FET sürücü devresi
Genel ayrık sürücü devresinin birçok ayrı bileşeni vardır ve devre yapısı daha karmaşıktır, bu da karmaşık korumaya ve zayıf güvenilirliğe yol açar. Bu nedenle, entegre sürücü devreleri çoğunlukla pratik uygulamalarda kullanılır. Entegre sürüş devresi, Şekil 12'de gösterildiği gibi temel olarak tahrik çiplerinden ve diğer bileşenlerden oluşur. GaN FET'in entegre sürücüsünde, yaygın olarak kullanılan sürücü yongaları LM5113, UCC27611, UCC21520 vb.
3.4.1 LM5113 entegre sürücü devresi
LM5113, eşzamanlı teker veya yarım köprü konfigürasyonlarında üst düzey ve alt uç geliştirme modu GaN FET'leri çalıştırmak için tasarlanmış bir sürücü çipidir. Çip, yüksek taraf öngerilim voltajı oluşturmak için önyükleme teknolojisini kullanır ve kapı voltajının GaN FET'in maksimum geçit kaynağı voltaj oranını aşmasını önlemek için dahili olarak 5,2 V'ta sıkıştırır.
Literatür, üç seviyeli sürücü teknolojisi önermektedir ve sürücü devresi Şekil 13'te gösterilmiştir. Yalnızca CON ölü zaman sırasında yüksek bir sinyal olduğunda, alt tüp Vgs, Vx (Vx < Vth). Teorik olarak, Vx, Vth'ye yakın olduğunda, ters iletim voltaj düşüşü sıfırdır. Deneyler, iki seviyeli sürücü ile karşılaştırıldığında, sürücünün GaN FET'in ters iletim voltaj düşüşünü etkili bir şekilde azalttığını ve böylece dönüştürücünün verimliliğini artırdığını kanıtlamıştır.
3.4.2 UCC27611 entegre sürücü devresi
UCC27611, tek kanallı bir yüksek hızlı kapı sürücüsüdür Sürüş voltajı VREF, dahili bir lineer regülatör tarafından 5 V'a doğru bir şekilde düzenlenir. En düşük parazitik endüktansa sahip paketi ve pim ataması, yükselme ve düşme sürelerini azaltır ve çınlamayı sınırlar. Literatürde kullanılan entegre tahrik devresi Şekil 14'te gösterilmektedir. Bu devrenin döngü alanı orijinalin sadece 1 / 30'u kadardır, bu da parazitik endüktansı etkin bir şekilde azaltır ve böylece sürücü voltajına olan paraziti azaltır.
Literatürde UCC17611'e dayalı olarak tasarlanan entegre sürücü, Şekil 14'ten farklıdır. Tasarlanan devre, köprü duvarının üst borusunu tahrik ettiğinde, tahrik sinyali ilk olarak genel CMOS faz-kilitli döngü entegre devre CD4046 tarafından ve daha sonra optocoupler dijital izolatör Si8610BC tarafından tahrik edilir. Aşağı tüp tahrik sinyali izole edilmez ve doğrudan UCC27611 tarafından çalıştırılır. Bu şekilde, köprü duvarının geçişi engellenebilir, çünkü üst borunun tahrik sinyalinin, optokuplörden geçtikten sonra alt borunun tahrik sinyali ile asenkron olması gerekir ve bir gecikme olur.
3.4.3 UCC21520 entegre sürücü devresi
UCC21520, yalıtılmış bir çift kanallı kapı sürücüsüdür ve çıkış iki kanallı sürücü sinyalleri tamamlayıcıdır. PWM sinyali INA yüksek olduğunda, OUTA çıkışı üst boruyu açmaya yönlendirir; INB yüksek olduğunda, OUTB çıkışı alt boruyu sürer ve INA ve INB tamamlayıcı sinyallerdir. Literatür, Şekil 15'te gösterildiği gibi kaynak kelepçeli bir GaNFET sürücüsü tasarlamak için UCC21520'yi kullanır. Çip içerisine entegre bir ölü bölge devresi olduğundan, sürücü devresindeki harici direnç R29'un direnci değiştirilerek ölü bölge ayarlanabilir. Manyetik boncuklar, şebeke devresindeki büyük voltaj salınımını yavaşlatmada rol oynar; voltaj regülatörü tüpü, kapı kaynağı voltajı VGS'nin çok fazla dalgalanmasını ve anahtarın hasar görmesini önlemek için kullanılır; kelepçe transistörü V6, yanlış açmaya yol açan parazit fenomenini bastırabilir. Entegre tahrik devresinin daha iyi gürültü bağışıklığına sahip olduğu görülebilir.
4 GaN FET'in tipik uygulaması
4.1 Motor sürücüsünde uygulama
Hepimizin bildiği gibi, enerji endüstrisindeki yüklerin% 60'ından fazlası motordur. Enerji tasarrufu ve emisyon azaltma ortamında, motorun tahrik dönüştürücüsü, düşük güç tüketimi, yüksek güç yoğunluğu ve yüksek verimlilik yönünde gelişmektedir. Bu hedeflere ulaşmak için, insanlar dikkatlerini GaN gibi güç cihazlarına çevirir ve motor sürücü dönüştürücülerinin performansını artırmak için GaN FET'lerin özelliklerini kullanır.
5 kW'lık üç fazlı motor için literatür, matris dönüştürücünün kontrolünü tamamlamak için bir GaN 3 × 3 çevirici modülü kullanır, bu da sistemin kaybını ve hacmini büyük ölçüde azaltır. 10 kHz'de çalışırken, dönüştürücü verimliliği% 96'ya ulaşır, güç tüketimi 1 W'tan azdır ve hacim azaltma% 1'den az değildir.
Ayrıca, 5 kW motor sürücüsünde, yüksek sıcaklıkta geleneksel izole kapı sürücüsünün optokuplörünün kısa hizmet ömrü nedeniyle, literatür, yüksek sıcaklığa uygun izolasyona sahip mikrodalga ile çalışan bir yarım köprü kapı sürücüsü tasarladı. Bu sürücü, GaN invertörün 1 MHz'de çalışmasını sağlayan PGA26C09DV'yi kullanır, anahtarlama kaybı 0,9 W'ta sabittir, verimlilik% 94'e ulaşır ve 140 ° ortam sıcaklığında yeterli geçit gücü sağlayabilir.
Literatür, GaN FET modeli TPH3206LD ve Si MOSFET modeli IPL60R185P7 kullanan üç fazlı bir invertörün performansını karşılaştırır ve anahtarlama frekansı 10 kHz'den 100 kHz'ye değiştiğinde, GaN invertörün anahtarlama kaybının toplam kaybı oluşturduğunu buldu. Verimlilik% 97,8 ile% 96,4 arasındadır ve Si kaybı% 36 ila% 77 arasındadır ve verimlilik 10 kHz'de yalnızca% 96,9'dur. GaN invertörlerin motor sürücülerine uygulandığında performanslarının Si'den daha iyi olduğu ve daha fazla potansiyele sahip oldukları görülebilir.
4.2 LED sürücüsünde uygulama
LED'lerin uzun ömürlülüğü, yüksek verimliliği ve enerji tasarrufu avantajları onları giderek daha popüler hale getirmiş, ancak LED'ler DC ile çalıştırıldığı için dönüştürücüler bunun vazgeçilmez bir parçası haline gelmiştir. Dönüştürücü LED lambaya çok yakın olduğundan, bu, dönüştürücünün minyatürleştirilmesini ve yüksek sıcaklıklarda çalışabilmesini gerektirir. Minyatürleştirme, anahtarlama frekansının megahertz aralığında olmasını gerektirir, bu nedenle GaN gibi yeni geniş bant aralıklı yarı iletkenlerin LED sürücülerinde potansiyel bir pazarı vardır.
Eric ve arkadaşları, GaN FET cihazlarını kullanan küçük ve basit bir analog histerezis kontrol vadi anahtarı (yarı-rezonant) yüzer Buck dönüştürücü önerdi. Deneyler, 600 V GaN FET'in MHz frekans seviyesindeki üstün anahtarlama performansının, dönüştürücünün boyutunu etkili bir şekilde azalttığını, böylece güç yoğunluğunu daha da artırdığını ve 20 W LED'in verimliliğinin 2,5 ila 4,4 MHz'de% 91,2'ye ulaşmasını sağladığını kanıtladı. GaN FET'in LED sürüş uygulamalarındaki beklentisinin çok etkileyici olduğu görülebilir.
4.3 Diğer uygulamalar
4.3.1 Fotovoltaik inverter
Fotovoltaik paneller elektriksel olarak şebekeye bağlanır.İnvertörün yüksek frekans davranışının neden olduğu ortak mod voltajı, ortak mod akımı oluşturmak için fotovoltaik panel ile toprak arasındaki parazitik kapasitanstan geçer ve ortak mod akımı, şebekeye bağlı akımın bozulmasına neden olur. Ağır durumlarda insan güvenliğini tehdit edebilecek elektromanyetik parazit üretin. Bu nedenle, izole edilmemiş fotovoltaik şebekeye bağlı sistemdeki ortak mod akımının bastırılması veya ortadan kaldırılması gereklidir.TTPH3006PS modeline dayalı GaN dual-buck şebeke bağlantılı inverter bu sorunu etkin bir şekilde çözer. Deney, verimliliğinin% 98.63'e ulaştığını kanıtladı.
4.3.2 POL
ICT ekipmanında Yük Noktası (POL) teknolojisinin uygulanmasıyla, anahtarlama frekansı 30 MHz'e ulaştığında, parazitik empedansın azaltılması, GaN tabanlı senkron DC / DC dönüştürücüler için en büyük zorluk haline gelir. Akagi ve arkadaşları bir geçit sürücü IC tasarladı ve 30 MHz'de maksimum% 59 verimlilik elde etmek için dönüştürücüye bir 3D yığınlanmış güç SoC (Stacked-on-Chip) ekledi. Optimizasyondan sonra maksimum verimliliğin% 85 olması bekleniyor. GaN FET model EPC8002'nin yüksek frekanslarda avantajlara sahip olduğu görülebilir.
Şu anda, GaN FET'ler güç elektroniği cihazlarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Araştırmacılar, dönüştürücünün çalışma frekansını artırarak, böylece cihaz verimliliğini artırarak, cihaz maliyetlerini düşürerek ve geliri artırarak cihazın hacmini azaltmak için temel olarak GaN FET'lerin yüksek anahtarlama frekansı ve düşük anahtarlama kaybından yararlanır.
Tablo 4, GaN FET dönüştürücülerinin diğer alanlardaki uygulama araştırma durumunu göstermektedir. GaN FET'lerin şu anda en çok küçük ve orta güç çeviricilerde kullanıldığı tablodan görülebilmektedir Anahtarlama frekansı arttıkça dönüştürücü verimi düşmekle birlikte temelde% 90 ve üzerindedir. Deneyler, verimlilikteki azalmanın anahtarlama kaybı mekanizmasıyla ilişkili olduğunu kanıtlamıştır. Elbette, verimliliği artırmanın yanı sıra, GaN FET'lerle tasarlanan 1 kW veya daha fazla güce sahip dönüştürücüler, çok küçük çıkış voltajına ve akım dalgalanmalarına sahiptir. Ek olarak, GaN FET paralel teknolojisinin kullanılması, onu 10 kW ve üzeri yüksek güçlü uygulamalara uygulanabilir hale getirebilir. GaN FET'lerin dönüştürücülerde geniş uygulama olanaklarına sahip olduğu görülebilir.
5 sonuç olarak
GaN FET'in cihaz yapısı, sürücü devresi ve uygulaması üzerine yapılan araştırmalar sayesinde, GaN FET'in yüksek frekanstaki benzersiz geçit salınım problemi çözüldüğü sürece, gelişiminin büyük ölçüde desteklenebileceği görülebilir. Genel olarak iki yönden başlayabiliriz, biri daha iyi bir cihaz yapısı tasarlamak, diğeri daha makul bir sürücü devresi tasarlamaktır. GaN FET'ler şu anda küçük ve orta güç uygulamalarında daha avantajlı olsa da, gelecekte GaN FET'lerin performansı sürekli olarak iyileştirilip iyileştirildikçe, daha yüksek güçlü uygulamalar kaçınılmaz olarak GaN FET'ler için bir yere sahip olacaktır.
Referanslar
OTSUKA N, KAWAI Y, NAGAI S. Güç ve entegre devre için GaN cihazlarında son gelişmeler IEEE 12. Uluslararası ASIC Konferansı (ASICON), 2017: 928-931.
FENG J, HE Z, EN Y, et al. P-GaN geçit yapısına sahip GaN HEMT güç cihazını geliştirme ESD davranışı. IEEE Uluslararası Güç Elektroniği ve Uygulama Konferansı ve Fuarı (PEAC), 2018: 1-4.
POSTHUMA N E, YOU S, STOFFELS S, ve diğerleri. 200 ve 650V uygulamaları için geliştirme modu p-GaN kapısı HEMT'leri için kapı mimarisi tasarımı. IEEE 30th International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs (ISPSD), 2018: 188-191.
Zhao Yongbing, Cheng Zhe, Zhang Yun ve diğerleri. 400 V normalde kapalı hendek kapısı AlGaN / GaN metal oksit yarı iletken yüksek eşik voltajlı ve ultra düşük geçit sızıntısına sahip yüksek elektron hareketlilik transistörü. Journal of Electrotechnical Technology, 2018, 33 (7 ): 1472-1477.
Bai Xinjiao, Yuan Fengpo, Li Xiaobo ve diğerleri.Gelişmiş GaN HEMT için hendek kapısı aşındırma teknolojisindeki araştırma ilerlemesi.Micro-Nanoelectronic Technology, 2018, 55 (10): 762-767, 774.
CHEN Z, GUITART J R.Dv / dt Cascode GaN FET ve Dv / dt Safe Chart'ta MOSFET'ler için LV MOSFET'in Aşılama Sınırı.IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), 2017: 1946-1949.
YU J, ZHANG W J, SHORTEN A, ve diğerleri.GaN güç transistörleri için akıllı bir kapı sürücüsü IC. IEEE 30th International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs (ISPSD), 2018: 84-87.
HARI N, LONG T, SHELTON E.Yüksek voltajlı GaN HEMT'ler için kapı tahrik stratejilerinin araştırılması. Energy Procedia, 2017, 117: 1152-1159.
GUAN Y, WANG Y, XU D ve diğerleri.GaN FET'lerine ve düzlemsel manyetiklere dayalı 1 MHz yarı köprü rezonanslı DC / DC dönüştürücü.Güç Elektroniği Üzerine IEEE İşlemleri, 2017, 32 (4): 2876-2891.
KIM D S, JOO D M, LEE B K, et al.GaN FET tabanlı rezonant DC-DC dönüştürücünün tasarımı ve analizi. IEEE 9. Uluslararası Güç Elektroniği ve ECCE Asya Konferansı (ICPE-ECCE Asya), 2015: 2650-2655.
CHE S, NAGAI S, NEGORO N, et al. 1.0 MHz GaN güç sistemi için 1 W güç tüketimi GaN tabanlı izole kapı sürücüsü. IEEE 29. Uluslararası Güç Yarı İletken Cihazları ve IC Sempozyumu (ISPSD), 2017: 33 -36.
AHMAD B, MARTINEZ W, KYYRA J.GaN cihazları ile yüksek yükseltmeli dönüştürücü için ortak mod gürültü analizi. IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 2018: 1240-1246.
WU H, FAYYAZ A, CASTELLAZZI AP-gate GaN HEMT kapı-sürücü tasarımı, anahtarlama performansı, serbest devinim iletimi ve kısa devre sağlamlığının ortak optimizasyonu için IEEE 30th International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs (ISPSD), 2018: 232-235 .
UMEGAMI H, HATTORI F, NOZAKI Y, ve diğerleri.Normalde kapalı tip GaN FET için yeni bir yüksek verimli kapı sürücü devresi. Endüstri Uygulamalarında IEEE İşlemleri, 2014, 50 (1): 593-599.
HIROTA T, INOMATA K, YOSHIMI D, et al.İki yönlü GaN cihazı kullanarak dokuz anahtar matris dönüştürücü.IEEE Uluslararası Güç Elektroniği Konferansı (IPEC-Niigata 2018-ECCE Asya), 2018: 3952-3957.
DYMOND H C P, WANG J, LIU D ve diğerleri.GaN FET'lerin aşma, zil sesi ve EMI ile mücadele etmesi için 6.7 GHz'lik bir aktif kapı sürücüsü. Power Electronics üzerinde IEEE İşlemleri, 2018, 33 (1): 581-594.
Yang Zhiqiang, Xu Dawei, Li Xinchang ve diğerleri GaN HEMT senkron düzeltmeye dayalı Buck dönüştürücüler üzerine araştırma.Güç Elektroniği Teknolojisi, 2017, 51 (9): 20-23.
SUN B, BURGOS R, BOROYEVICH D. 650 V GaN tabanlı yarı köprüler için ultra düşük giriş-çıkış kapasitansı PCB'ye gömülü çift çıkışlı geçit sürücülü güç kaynağı. Güç Elektroniği üzerine IEEE İşlemleri, 2019, 34 (2): 13821393.
ELRAJOUBI AM, GEORGE K, ANG S S. Pil şarj uygulaması için yeni bir GaN tabanlı AC / DC topolojisinin tasarımı ve analizi.IEEE Uygulamalı Güç Elektroniği Konferansı ve Sergisi (APEC), 2018: 2959-2964.
UMETANI K, MATSUMOTO R, HIRAKI E.GaN-FET'lerin salınımlı yanlış tetiklemesinin, geçit-boşaltma kapasitansını ve ortak kaynak endüktansını dengeleyerek önlenmesi.Endüstriyel Uygulamalarda IEEE İşlemleri, 2019, 55 (1): 610-619.
Chen Leiyu, He Junping, Yu Zuoliang, vb. Geliştirilmiş galyum nitrür cihazlarına dayalı iki aşamalı DC / DC dönüştürücü tasarımı Güç Elektroniği Teknolojisi, 2017, 51 (9): 12-15.
Ren Xiaoyong, Ji Shu, Mu Mingkai. Galyum nitrür güç transistörleri için üç seviyeli sürücü teknolojisi.Elektroteknik Teknoloji Dergisi, 2013, 28 (5): 202-207.
Luo Zhiwen, Wang Kui, Zhang Xinyan ve diğerleri.Yüksek voltajlı GaN cihazlarına dayalı çift aktif köprülerin tasarımı.Güç Elektroniği Teknolojisi, 2017, 51 (9): 16-19.
NAGAI S, KAWAI Y, TABATA O, ve diğerleri.GaN invertör için yüksek verimli sürüş izole, mikrodalga yarım köprü kapısı sürücüsü. IEEE Uygulamalı Güç Elektroniği Konferansı ve Sergisi (APEC), 2016: 2051-2054.
LAUTNER J, PIEPENBREIER B. Motor sürücü uygulamaları için Cascode GaN HEMT ve Si MOSFET tabanlı inverterin performans karşılaştırması.IEEE 12. Uluslararası Güç Elektroniği ve Sürücü Sistemleri Konferansı (PEDS), 2017: 81-87.
FARACI E, SEEMAN M, GU B, et al. Yüksek verimlilik ve güç yoğunluğu GaN tabanlı LED sürücü. IEEE Uygulamalı Güç Elektroniği Konferansı ve Sergisi (APEC), 2016: 838-842.
Yan Qi, Li Yan, Wang Lu. GaN Cihazlarına Dayalı Çift Buck İnvertörün Ortak Modu ve Kaybı. Journal of Electrotechnical Engineering, 2017, 32 (20): 133-141.
AKAGI T, MIYANO S, ABE S, et al.GaN güç cihazları için silikon tabanlı multi-on MHz geçit sürücüsü IC. IEEE Uygulamalı Güç Elektroniği Konferansı ve Sergisi (APEC), 2017: 1978-1982.
HOU R, LU J, CHEN D. GaN HEMT'ler için sert anahtarlamada parazitik kapasitans denklik kaybı mekanizması, hesaplaması ve ölçümü.IEEE Uygulamalı Güç Elektroniği Konferansı ve Sergisi (APEC). IEEE, 2018: 919-924.
MORSY A S, BAYERN M, ENJETI P. GaN FETS kullanan yüksek güç yoğunluklu tek fazlı invertör ve google küçük kutu mücadelesi için aktif güç dekuplajı IEEE 3. Geniş Bant Aralıklı Güç Cihazları ve Uygulamaları Çalıştayı (WiPDA), 2015: 323-327.
Tang Gang, Liu Jun, Huang Sen, ve diğerleri.GaN cihazlarının dört fazlı aralıklı paralel DC / DC dönüştürücülerdeki uygulaması. Otomasyon Uygulaması, 2018 (3): 94-96.
LU J L, HOU R, CHEN D.ZVS uygulamalarında GaN HEMT'lerin fırsatları ve tasarım konuları.IEEE Uygulamalı Güç Elektroniği Konferansı ve Sergisi (APEC), 2018: 880-885.
Lu Juncheng, Chen Di.GaN cihazlarının yüksek güçlü güç elektronik sistemlerinde uygulanması.Güç Elektroniği Teknolojisi, 2017, 51 (9): 1-2.
LU J L, CHEN D. 10 kW-100 kW sistemlerde Paralleling GaN E-HEMTs.IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), 2017: 3049-3056.
GAMAND F, LI M D, GAQUIERE C.A 10-MHz GaN HEMT DC / DC boost dönüştürücü, güç amplifikatörü uygulamaları için Devreler ve Sistemlerde IEEE İşlemleri II: Ekspres Özetler, 2012, 59 (11): 776-779.
YAJING Z, ZHENG TQ, YAN L.GaN FET'li ileri geri dönüşlü yüksek kazançlı DC / DC dönüştürücünün kayıp analizi ve yumuşak anahtarlama özellikleri. .
PUUKKO J, XU J, LIU L.GaN cihazları kullanan geri dönüş dönüştürücüsünün değerlendirilmesi.IEEE 3. Geniş Bant Aralıklı Güç Cihazları ve Uygulamaları Çalıştayı (WiPDA), 2015: 196-200.
Zhang Yajing, Zheng Qionglin, Li Yan.Yüksek voltajlı GaN yüksek elektron hareketlilik transistörünün parazitik parametreler göz önünde bulundurularak invertör dinamik proses analizi. Journal of Electrotechnical Technology, 2016, 31 (12): 126-134.
Li Yan, Zhang Yajing, Huang Bo, vd. Kaskod tipi GaN HEMT çıkış volt-amper özellikleri ve tek fazlı invertörlerde uygulaması. Journal of Electrotechnical Engineering, 2015, 30 (14): 295-303.
yazar bilgileri:
Wu Wenjun, Lan Xuemei
(Otomasyon ve Bilgi Mühendisliği Okulu, Xi'an Teknoloji Üniversitesi, Xi'an, Shaanxi 710048)
Orijinal beyan: Bu içerik AET web sitesinde orijinaldir, yetkisiz çoğaltılması yasaktır.
