№6 / 2019 / статья 8

Снизить потери энергии: гетероструктурные полевые транзисторы CoolGaN™ от Infineon

Александр Русу (г. Одесса)

Применение HEMT-транзисторов CoolGaN™ от Infineon позволяет достичь КПД преобразователей в 99% и плотности энергии 24 Вт/дюйм3 для выпрямителей и 160 Вт/дюйм3 для резонансных LLC-преобразователей.

Сегодня вопросы уменьшения потерь энергии всех видов, особенно электрической – одной из самых дорогих – встают перед человеком особенно остро. Лавинообразное увеличение количества электрооборудования на фоне общего уменьшения доступности энергоресурсов, загрязнение окружающей среды и глобальные климатические изменения привели к тому, что любое вынужденное выделение тепла начинает расцениваться как преступное расточительство.

Нагрев электроприборов создает множество неприятностей технического характера. Даже незначительный перегрев полупроводникового прибора приводит к увеличению скорости разрушения его кристаллической решетки и, соответственно, к уменьшению срока службы. Кроме этого, циклические тепловые перегрузки (нагрев-охлаждение) способны со временем разрушить любой тип соединения, особенно при большой разнице коэффициентов температурного расширения. Необходимость отвода тепла вынуждает разработчика вводить в прибор дополнительные элементы или системы охлаждения, что негативно сказывается на размерах, надежности и стоимости. Кроме этого, нежелательные потери энергии приводят к уменьшению времени работы устройств с автономным питанием и заставляют конечного пользователя чаще менять батарейки или заряжать аккумуляторы.

Таким образом, уменьшение выделения тепла во время работы любого электронного прибора является одним из ключевых направлений в радиоэлектронике. Но если в схемах, осуществляющих обработку сигналов, успехи в уменьшении энергопотребления за последние несколько десятков лет впечатляющи, то в узлах, предназначенных для преобразования энергии, ощутимый прогресс в увеличении КПД долгое время отсутствовал. Это связано с тем, что обычные методы снижения тепловыделения, используемые в узлах обработки сигналов – уменьшение физических размеров активных элементов вплоть до молекулярного уровня – в преобразователях энергии приводит к увеличению плотностей всех видов энергетических потоков до критических величин и, соответственно, к физическому разрушению этих преобразователей.

Такая ситуация стимулировала появление новых технологий, позволяющих вывести преобразователи электрической энергии на новый уровень качества. В данной статье речь пойдет об одном из таких достижений – силовых транзисторах нового поколения, производство которых недавно освоила компания Infineon.

Силовые транзисторы являются неотъемлемой частью всех импульсных преобразователей электрической энергии, в том числе – выпрямителей, инверторов и DC/DC-преобразователей. До недавнего времени эти мощные полупроводниковые приборы изготовлялись на кремниевой подложке, являющейся прекрасной основой для транзисторов общего назначения, но, к сожалению, из-за ряда ограничений плохо подходящей для устройств силовой электроники. Долгое время отсутствие транзисторов с требуемыми характеристиками вынуждало разработчиков уменьшать частоту переключений для сохранения приемлемого значения КПД, что приводило к увеличению массы, габаритов и стоимости. Замена традиционных MOSFET и IGBT на транзисторы с высокой подвижностью электронов (High-Electron-MobilityTransistor, HEMT), также известные под названием «гетероструктурные полевые транзисторы» (Heterostructure Field-Effect Transistor, HFET) позволяет значительно уменьшить уровень статических и динамических потерь и, соответственно, либо увеличить КПД, либо за счет увеличения частоты переключений повысить удельную мощность преобразователя.

Перспективы применения HEMT

Параметры полупроводниковых приборов во многом зависят от типа используемой подложки. На сегодняшний день большинство силовых транзисторов изготавливается на кремниевой основе, обладающей невысокой подвижностью носителей заряда и малой шириной запрещенной зоны. Такая комбинация параметров имеет множество ограничений и вынуждает производителей увеличивать физические размеры кристаллов, что негативно сказывается как на активном сопротивлении, так и на времени переключения транзисторов, особенно высоковольтных. Силовые транзисторы обычно работают в ключевом режиме, поэтому ухудшение их коммутационных характеристик приводит к росту всех видов потерь, что в итоге становится серьезным препятствием для увеличения удельной мощности преобразователей.

В то же время технологически уже освоено производство новых типов материалов с увеличенной шириной запрещенной зоны, самыми перспективными из которых являются карбид кремния (SiC) и нитрид галлия (GaN). Конечно, объемы производства подложек нового типа пока еще уступают количеству выпускаемых традиционных кремниевых пластин – последние имеют развитую инфраструктуру производства и продажи на всех уровнях. Однако значительные уровни инвестиций и наличие богатого опыта, полученного в свое время при освоении технологии изготовления приборов из кремния, позволяют с высокой вероятностью прогнозировать постепенную замену элементной базы преобразователей электрической энергии во всех сферах практических приложений.

Отличительной особенностью подложек нового типа является более высокое значение подвижности носителей заряда – коэффициента, определяющего зависимость средней (дрейфовой) скорости электронов (и дырок) от величины внешнего электрического поля. Этот параметр напрямую влияет на величину удельной плотности тока и для силовых полупроводниковых элементов является одним из самых важных.

Однако высокая подвижность зарядов не обеспечивается одним лишь изготовлением подложек транзисторов из карбида кремния или нитрида галлия – материалов, которые, кстати, называть «новыми» будет не совсем правильно. Этим свойством обладает лишь тонкий слой полупроводника, образованный в месте контакта двух подложек с разной шириной запрещенной зоны. Именно разработка промышленной технологии создания этой прослойки и стала одной из важнейших технологических задач, на решение которой ушло огромное количество времени, ведь первый полевой гетеропереходный транзистор был продемонстрирован еще в 1980 году. Тем не менее, несмотря на множество проблем, компания Infineon успешно разработала и внедрила технологию изготовления силовых полевых нитрид-галлиевых транзисторов на подложках из кремния (GaN-on-Si), доступных для приобретения под торговой маркой CoolGaN™. Эти транзисторы, обладающие прекрасными электрическими характеристиками, предназначены для широкого круга практических приложений (рисунок 1) и способны в ближайшем будущем вытеснить традиционные кремниевые приборы из тех областей, где им до недавнего времени не было аналогов.

Рис. 1. Области применения транзисторов CoolGaN™

Рис. 1. Области применения транзисторов CoolGaN™

Ключевые особенности транзисторов GaN-on-Si

Схемотехнике преобразователей электрической энергии всегда приходится подстраиваться под существующую элементную базу. В свое время это привело к появлению целого ряда ставших классикой шаблонов построения силовых схем, например, выпрямителей. Появление нового класса полупроводниковых приборов позволило разрушить существующие стереотипы и переосмыслить подходы к проектированию преобразователей.

Одним из основных недостатков силовых MOSFET, например, CoolMOS™, является наличие паразитного диода, который хоть и обладает прогнозируемыми параметрами, но накладывает серьезные ограничения на количество схемотехнических решений. Несмотря на то что ток, протекающий непосредственно через MOSFET, полностью контролируется, наличие диода приводит к невозможности его блокировки в обратном направлении, ведь паразитный диод неуправляем. Кроме того, фиксированное время восстановления диода является причиной появления дополнительных потерь, вызванных необходимостью рассасывания носителей заряда и разряда его емкости.

Отличительной особенностью транзисторов CoolGaN™ является способность проводить ток и блокировать его протекание в любом направлении, поскольку паразитный диод в них отсутствует. Это открывает совершенно новые возможности для разработчиков силовой электроники. Так, например, использование транзисторов CoolGaN™ позволяет объединить узел выпрямления и коррекции коэффициента мощности в выпрямительных устройствах, а блокировка в схеме оставшихся двух диодов традиционными MOSFET, например, из семейства CoolMOS™, позволяет полностью исключить из силовой части полупроводниковые диоды с высоким падением напряжения на переходе (рисунок 2). А если учесть, что статические и динамические характеристики транзисторов CoolGaN™ гораздо лучше аналогичных параметров MOSFET, то получается, что потери в выпрямительном узле, построенном по новому схемотехническому принципу, намного превосходят все традиционные решения. Результаты тестирования схемы узла выпрямления с интегрированным корректором коэффициента мощности, получившего в англоязычной литературе название Pole Full-Bridge Power Factor Correction (безмостовой корректор коэффициента мощности, рисунок 2б), показывают, что его КПД в рабочих диапазонах мощностей превосходит 99%.

Рис. 2. Традиционный выпрямитель с корректором коэффициента мощности (а) и аналогичный узел на основе транзисторов CoolGaN™ (б)

Рис. 2. Традиционный выпрямитель с корректором коэффициента мощности (а) и аналогичный узел на основе транзисторов CoolGaN™ (б)

Превосходные характеристики транзисторов CoolGaN™ обеспечиваются за счет наличия переходных слоев, связывающих кремниевую подложку с телом нитрид-галлиевого транзистора (рисунок 3). Технология их изготовления защищена многочисленными патентами, а сами слои являются фундаментальным элементом функционирования HEMT. Формирование переходных слоев на кремниевой подложке происходит эпитаксиальным способом, что позволяет сделать транзистор плоским, с направлением протекания основного тока в плоскости кристалла. Это также является ключевым отличием от традиционных MOSFET, в которых носители заряда перемещаются преимущественно в вертикальном направлении.

Рис. 3. Структура транзистора CoolGaN™

Рис. 3. Структура транзистора CoolGaN™

Как и большинство полевых транзисторов, HEMT имеют три вывода, традиционно именуемые «исток», «сток» и «затвор», и могут рассматриваться как управляемые напряжением выключатели. Существующие технологии производства позволяют создавать HEMT как со встроенным, так и с инжектированным каналом, сопротивление которых при нулевом напряжении между затвором и истоком может быть, соответственно, низким и высоким. Приборы CoolGaN™ являются транзисторами с инжектированными каналами, использование которых в силовой электронике с недавних пор стало обязательным.

Основными характеристиками любого силового транзистора, рассчитанного на работу в ключевом режиме, являются величина сопротивления между стоком и истоком в проводящем состоянии и время переключения – скорость, с которой транзистор способен реагировать на изменения управляющего напряжения. И если малое значение первого параметра обеспечивается технологией изготовления прибора, то его быстродействие во многом определяется характеристиками драйвера затвора. Поскольку методы управления транзисторами CoolGaN™ отличаются от ставших уже стандартными методов управления MOSFET, то для поддержки разработчиков и ускорения выхода новых продуктов на рынок компания Infineon разработала специализированные драйверы GaN EiceDRIVER™, способные эффективно управлять транзисторами CoolGaN™ с максимальным напряжением «сток-исток» до 600 В.

Ключевые преимущества транзисторов CoolGaN™ 

Несмотря на то что транзисторы CoolGaN™ на первый взгляд похожи на традиционные полевые транзисторы, у них есть одно важное преимущество – отсутствие паразитного диода. Это позволяет снять ограничение, вызванное появлением сквозных токов во время восстановления диодов в транзисторах смежных плечей, например, полумостовой схемы – при использовании классических MOSFET эти токи могли достигать значительных величин. Кроме того, в HEMT нет неосновных носителей заряда, поэтому эти транзисторы не требуют времени на восстановление изолирующих свойств канала. Эти преимущества делают транзисторы CoolGaN™ идеальными для использования не только в традиционных полумостовых и мостовых схемах, но и в совершенно новых схемотехнических решениях силовой части преобразователей, реализация которых на старой элементной базе была крайне затруднительна.

Выделение тепла при протекании электрического тока во многом зависит от величины сопротивления открытого канала RDS(ON). Однако кроме абсолютного значения RDS(ON) немаловажным является величина его температурного дрейфа. Этот параметр определяет, насколько будут отличаться температуры кристаллов параллельно включенных транзисторов из-за технологических разбросов RDS(ON). И здесь также следует отметить, что величина температурного коэффициента изменения сопротивления канала RDS(ON) намного меньше, чем у MOSFET, и не превышает 2,0, в то время как для кремниевых транзисторов значение этого параметра, как правило, равно 2,4. Это означает, что системы на основе транзисторов CoolGaN™ проще и эффективнее в масштабировании, а их установочная мощность при параллельном соединении будет более эффективно использоваться.

Одним из недостатков традиционных MOSFET является нелинейный закон изменения напряжения и тока, обусловленный, в том числе, и эффектом Миллера. Это увеличивает время переключения транзистора и приводит к увеличению динамических потерь, а также к появлению дополнительных нежелательных колебаний напряжения и тока в силовой части схемы. В отличие от MOSFET, выходной ток транзисторов CoolGaN™ линейно зависит от заряда затвора, а время переключения приблизительно на порядок меньше, чем у лучших представителей кремниевых полевых транзисторов такого же класса. Кроме этого, транзисторам CoolGaN™ требуется как минимум на 25% меньше энергии для управления затвором. Все это позволяет значительно увеличить частоту переключений в силовой части без существенного увеличения потерь. А поскольку рабочая частота и КПД в значительной степени определяют массогабаритные показатели преобразователя, то использование CoolGaN™ позволяет создавать на их основе устройства с удельной мощностью, недостижимой при использовании другой элементной базы.

Особенности построения преобразователей на основе транзисторов

Методы управления транзисторами CoolGaN™ отличаются от методов управления классическими MOSFET, и для поддержки данных продуктов необходимо использовать специализированные драйверы затворов – микросхемы семейства GaN EiceDRIVER™, также выпускаемые компанией Infineon. Однако согласования только уровней напряжений и токов в цепи затвора для эффективного использования транзисторов CoolGaN™ недостаточно. Специфика работы на высоких частотах и высокое значение удельной мощности требуют тщательной проработки всей силовой части преобразователя, направленной, на уменьшение паразитных индуктивностей и емкостей силовых цепей.

По этой причине транзисторы CoolGaN™ не выпускаются в корпусах, предназначенных для монтажа в отверстия. Все приборы, предназначенные для работы с этими транзисторами, выпускаются в SMD-корпусах с продуманным расположением выводов, позволяющим уменьшить паразитные емкости как в силовой цепи, так и в цепи затвора. Это накладывает дополнительные ограничения на расположение элементов и конфигурацию проводников печатных плат, которые в большинстве случаев приходится делать многослойными. Кроме этого, необходимо тщательно прорабатывать тепловой режим силовой части, который, к счастью, из-за малого значения потерь оказывается намного более легким, чем при использовании MOSFET.

Надежность CoolGaN™ 

Однако все преимущества использования любых транзисторов, даже с идеальными характеристиками, может перечеркнуть один параметр – низкая надежность или, другими словами, малый срок службы.

Руководство компании Infineon четко осознает, что транзисторы нового типа, с одной стороны, могут вывести преобразователи электрической энергии на совершенно новый технический уровень, а с другой, – в случае преждевременного выхода на рынок с непроверенным продуктом, – могут на десятки лет затормозить развитие всей отрасли. Поэтому приборы CoolGaN™ за время проектирования прошли расширенный комплекс исследований по определению уровня надежности, в том числе и с тщательным моделированием всех известных деградационных процессов.

На сегодняшний день транзисторы CoolGaN™ имеют прогнозируемый срок службы 15 лет с частотой отказа менее 1 FIT (Failure in Time). На момент написания статьи компания Infineon уже предоставила своим клиентам более 100 000 транзисторов с максимальным напряжением «сток-исток» 600 В и сопротивлением открытого канала 70 мОм, и пока не было зарегистрировано ни одного отказа, даже несмотря на то, что преобразователи на основе транзисторов CoolGaN™ эксплуатируются в достаточно жестких полевых условиях.

Примеры применения транзисторов CoolGaN™

Вопросы увеличения удельной мощности преобразователей электрической энергии и уменьшения величины потерь актуальны для многих приложений, особенно там, где существуют ограничения по весу или запасу энергии в источнике питания: для транспорта и мобильных устройств. Однако это не означает, что производителям стационарной техники не следует обращать внимание на эти продукты, ведь меньшее, за счет минимизации потерь, энергопотребление и меньшая, за счет миниатюризации дорогостоящих индуктивных компонентов, стоимость станут конкурентными преимуществами любого оборудования. Можно с большой долей вероятности предположить, что дальнейшее развитие технологий производства HEMT приведет к постепенному вытеснению традиционных кремниевых MOSFET и IGBT из тех областей, где до недавнего времени отсутствовал даже намек на какую-либо конкуренцию (рисунок 4).

Рис. 4. Области применения HEMT

Рис. 4. Области применения HEMT

На момент написания статьи компания Infineon освоила выпуск нитрид-галлиевых HEMT с максимальным напряжением «сток-исток» 600 В (таблица 1). Тем не менее, в ближайшем будущем планируется пополнение семейства CoolGaN™ приборами с напряжениями 100…600 В. Infineon обосновано считает, что данного диапазона рабочих напряжений будет достаточно для решения широкого круга практических задач. А пока даже ограниченное число существующих продуктов позволяет создавать преобразователи электрической энергии с рекордными техническими характеристиками.

Так, например, выпрямительный блок мощностью 2,5 кВт со встроенным корректором коэффициента мощности, построенный на основе двух HEMT CoolGaN™ в корпусах DSO-20BSC и двух MOSFET CoolMOS™ с сопротивлениями каналов, соответственно, 70 и 33 мОм, имеет КПД, превышающий 99% на участке более чем в 90% диапазона рабочих мощностей (рисунок 5).

Рис. 5. Выпрямительное устройство с максимальной выходной мощностью 2,5 кВт

Рис. 5. Выпрямительное устройство с максимальной выходной мощностью 2,5 кВт

Таблица 1. Характеристики транзисторов CoolGaN™

Наименование Корпус Напряжение «сток-исток», B Сопротивление канала, мОм Заряд затвора, нКл Ток стока, А Максимальный ток стока, А
IGO60R070D1 PG-DSO-20 600 70 5,8 31 60
IGOT60R070D1 PG-DSO-20 600 70 5,8 31 60
IGT60R070D1 PG-HSOF-8 600 70 5,8 31 60
IGT60R190D1S PG-HSOF-8 600 190 3,2 12,5 23
IGLD60R070D1 PG-LSON-8 600 70 5,8 15 60
IGLD60R190D1 PG-LSON-8 600 190 3,2 10 23

Другим примером применения HEMT CoolGaN™ является выпрямительное устройство, силовая часть которого построена по схеме гибридного обратноходового преобразователя с использованием транзисторов IGLD60R190D1 (рисунок 6). Работая в стандартном диапазоне входных напряжений 90…264 В, этот модуль способен обеспечивать работу нагрузок общей мощностью до 65 Вт с выходным напряжением 3…20 В. Высокая рабочая частота, изменяющаяся в диапазоне 72…196 кГц, позволила достичь впечатляющих значений удельной мощности 24 Вт/дюйм3.

Рис. 6. Модуль выпрямительного устройства мощностью 65 Вт

Рис. 6. Модуль выпрямительного устройства мощностью 65 Вт

Однако наиболее впечатляющие результаты применения нитрид-галлиевых HEMT будут в случаях, когда сама схемотехника силовой части ориентирована на достижение высоких значений удельной мощности. Ярким примером является резонансный LLC-преобразователь постоянного напряжения на основе IGT60R070D1, работающий на частоте 350 кГц (рисунок 7). Этот модуль, предназначенный для питания телекоммуникационного оборудования с номинальным напряжением 48 В, обеспечивает нагрузки стабильным напряжением 52 В с максимальным током до 70 А в диапазоне входных напряжений 350…400 В. При этом габаритные размеры платы составляют всего 152х32х91 мм, а это означает, что величина удельной мощности данного преобразователя достигает 160 Вт/дюйм3.

Рис. 7. Резонансный преобразователь постоянного напряжения мощностью 3,6 кВт

Рис. 7. Резонансный преобразователь постоянного напряжения мощностью 3,6 кВт

Заключение

Пока физики утверждают, что энергию потерять невозможно, инженеры продолжают рассчитывать потери электрической энергии при преобразовании ее параметров. А ведь на самом деле эти потери потом в неявном виде становятся частью повседневной жизни конечных пользователей, преобразуясь в счета за электроэнергию. Поэтому колоссальная работа, проделанная компанией Infineon по поиску путей уменьшения потерь энергии, в конечном счете, приведет не только к уменьшению стоимости эксплуатации широкого спектра электроприборов, но и к уменьшению экологической нагрузки на окружающую среду, ведь электрическую энергию человек все еще получает путем преобразования ее из энергии других видов.

Наши информационные каналы

Теги:
Рубрики:
Применения: ,
Группы товаров:

О компании Infineon

Компания Infineon является мировым лидером по производству силовых полупроводниковых компонентов, а также занимает ведущие позиции по производству автомобильной полупроводниковой электроники и смарт-карт.  В 2015 году компания Infineon приобрела компанию International Rectifier, тем самым значительно усилив свои лидирующие позиции в области силовой электроники. Это сочетание открывает новые возможности для клиентов, так как обе компании превосходно дополняют друг друга благодаря высокому уровню ...читать далее