Technologie GaN w zaawansowanych systemach zasilania - cz. 1

Jest już standardem w LED, a niedługo może i w tranzystorach. Przedstawimy Państwu krótko GaN i jego zalety, w odniesieniu do nowoczesnych zasilaczy SMPS. Czym jest GaN? Materiał GaN (azotek galu) coraz częściej wypiera komponenty oparte na krzemie (Si). Już teraz, materiał ten na dobre zagościł w wielu zastosowaniach, jak chociażby oświetlenie LED. Coraz częściej wykorzystuje się go też w aplikacjach komunikacji bezprzewodowej. Przyszłość tego materiału też dość jasno klaruje się, w nowoczesnych systemach zasilania, gdzie wykorzystywane są tranzystory zbudowane w oparciu o ten właśnie materiał. Tranzystory oparte na GaN mogą pracować z wyższymi napięciami, zapewniając jednocześnie większą wydajność, w stosunku do klasycznych, opartych na krzemie. Widać to dobrze po tym, że komponenty GaN cechują się dużo niższymi stratami. Na tym jednak nie kończą się zalety GaN. Świetnie prezentują się też inne charakterystyki tranzystorów wykonanych z GaN. Warto zwrócić uwagę na chociażby możliwość pracy z wysokimi częstotliwościami, co pociąga za sobą dalszą poprawę wydajności gotowej aplikacji, przy zachowaniu bardzo dobrej efektywności. Warto również zwrócić uwagę na kwestię kosztów. Dzięki procesowi GaN-on-Si, możliwe jest wykorzystanie technik i maszyn, którymi produkuje się klasyczne komponenty krzemowe. A dzięki możliwości stosowania elementów mniejszych niż przy Si, przy zachowaniu takiej samej wydajności prądowej, ceny elementów GaN powinny oscylować w okolicach tych, w jakich występują komponenty w starszej technologii. Wszystko to sprawia, że elementy GaN są atrakcyjną opcją w wielu różnych aplikacjach i systemach, także tych mobilnych. Szczególnie, że takie systemy duży nacisk kładą na możliwość pracy przy coraz to wyższych częstotliwościach. Aby wykorzystać pełen potencjał drzemiący w GaN wielu projektantów podchodzi całkowicie świeżo, to tworzonych nowych układów, nie tylko zasilania. Jednocześnie przykłada się uwagę do tego, by unikać zjawisk i efektów niepożądanych. Choć najczęściej, z GaN wykonywane są tylko pojedyncze elementy systemu, jak np. wspomniane przełączniki. Sterowniki czy kontrolery, nadal oparte są na klasycznym krzemie, choć tworzy się je z myślą o właśnie komponentach GaN, by móc wycisnąć z nich jak najwięcej. Przykładem tego typu układów i producentów, którzy chętnie tworzą takie rozwiązania jest Texas Instruments. Do produkcji takich układów scalonych, wykorzystuje się najnowsze technologie produkcji i procesów, co pozwoli na wyciągnięcie jak najwięcej z przełączników GaN, zapewniając ładne charakterystyki pracy. Miejsce GaN w systemach zasilających Większość układów zasilania w elektronice, którą się otaczamy, to układy typu SMPS (switched-mode power supplies), czyli oparte na metodzie przełączania. Jest to bardzo efektywna metoda, pozwalająca bardzo skutecznie konwertować AC do DC, do napięć 12, 5 lub 3.3 V. SMPS jest powszechnie wykorzystywane w systemach zasilania urządzeń konsumenckich, lub data-center. Jednak coraz chętniej stosuje się też w systemach o większych mocach, w konwerterach DC/DC, inwerterach, systemach motoryzacyjnych, sprzęcie przemysłowym, itp. Powyższy rysunek przedstawia poglądowy schemat działania SMPS. Napięcie wejściowe (najczęściej przemienne, 120 lub 230 V) jest filtrowane i prostowane. Filtry te często dodatkowo odcinają składowe o wysokiej częstotliwości. Dalej mamy serce SMPS, czyli przełącznik pracujący z wysoką częstotliwością. To za jego sprawą sygnał DC jest przekształcany na impulsowe napięcie przemienne. Taki sygnał musi być poddany transformacji i końcowej filtracji, dzięki czemu uzyskujemy stabilne, dobrze wygładzone, niskie napięcie wyjściowe. Do tego by zadbać o to, by wartość tego napięcia była odpowiednia, służy sprzężenie zwrotne. Dzięki temu sterownik wie, jak skorygować przełączanie tranzystora, aby na wyjściu otrzymać wymaganą wartość. Odchylenie od wartości zadanej mogą wynikać ze zmian w napięciu zasilającym, lub częściej ze zmian obciążenia na wyjściu. Tradycyjne klucze, wykorzystywane w takim układzie, były tranzystorami MOSFET, zbudowanymi w oparciu o typowy krzem. Coraz częściej jednak stosuje się właśnie wspomniane komponenty oparte na GaN (GaN FET). Zależnie od wymagań aplikacji lub jej topologii, stosuje się układy z pojedynczym, podwójnymi, a nawet poczwórnymi tranzystorami GaN FET. Układ przełącznika i dedykowanego dla niego sterownika, to najwrażliwsze elementy SMPS. Ich praca musi być możliwie jak najdokładniejsza. W przeciwnym razie, układ zasilania może będzie zachowywał się niestabilnie, co w konsekwencji może zakłócić pracę elementów zasilanych. Jednym z ważnych parametrów zasilaczy jest izolacja. Chodzi o odseparowanie tego co dzieje się w sieci (różnego rodzaju zakłócenia, przepięcia, harmoniczne, itd.) od tego, co dostarczane jest do aplikacji (za zasilaczem). Zapewnia to większe bezpieczeństwo działania aplikacji. Komponenty GaN pozwalają na spełnienie wymagań dotyczących izolacyjności systemu i jednocześnie pozwalają zmniejszyć EMI. To z kolei pozwala na stosowanie wyższych częstotliwości przełączania. A wyższa częstotliwość to możliwość stosowania mniejszych transformatorów izolujących i filtrów, przy zachowaniu wysokiej wydajności. Zalet GaN w SMPS ciąg dalszy GaN stanowi więc ważny krok rozwojowy w energoelektronice, posiadając wyraźne zalety w stosunku do typowych rozwiązań krzemowych. Oprócz opisywanych powyżej, warto wspomnieć o niższych stratach, przy pracy z wyższymi napięciami. Ponadto, przełączniki GaN zużywają mniej energii do zmiany stanu, niż komponenty Si. Choć warto wspomnieć, że wprawdzie MOSFET’y Si są jak na razie tańsze, to w najbliższym czasie różnica ta będzie z pewnością zanikać, na korzyść GaN. Mniejsze gabaryty przełączników, to także redukcja gabarytów sekcji zasilającej, a tym samym gotowej aplikacji. Zmniejszaniu gabarytów sprzyja też wspomniana wyższa częstotliwość pracy i możliwość zmniejszenia gabarytów dla innych elementów systemów (np. elementów indukcyjnych), nawet podczas pracy z wysokim napięciem. Rysunek ten przedstawia schematycznie strukturę tranzystorów GaN, wykonanych w procesie GaN-on-Si. Jak wspomnieliśmy wcześniej, dzięki wieloletniej praktyce i doświadczeniu producentów takich jak Texas Instruments w operowaniu krzemem (Si), można bardzo skutecznie tworzyć nowego rodzaju przełączniki, zyskując zalety jakie oferuje GaN, w stosunku do typowych przełączników, opartych jedynie na krzemie. Warto też wspomnieć o jeszcze jednym: komponenty GaN posiadają większe pasmo zabronione (band gap voltage). Przerwa ta wynosić ma 3.2 eV, co jest wartością prawie 3-krotnie większą niż ta, którą oferują komponenty Si. Teoretycznie, większe pasmo pozwala na osiąganie większej efektywności podczas pracy w wysokiej temperaturze. W przyszłości cecha ta może pozwolić na osiąganie większej sprawności w aplikacjach przemysłowych, motoryzacyjnych oraz innych, które narażone są na pracę w wysokich temperaturach. Część druga artykułu już wkrótce, a w niej:

• wyzwania związane z implementacją GaN,
• rozwiązania scalone,
• innowacje wykorzystujące GaN.

Artykuł uzyskany dzięki uprzejmości: © Texas Instruments