Als u recentelijk naar de marketing voor een moderne USB-C-oplader, telecomgelijkrichter of serverstroomvoorziening heeft gekeken, heeft u waarschijnlijk drie letters gezien die het ontwerp bepalen - GaN.  Bij OnlineComponents.com, waar we zowel ontwerpingenieurs als componentinkopers in verschillende sectoren ondersteunen, zien we galliumnitride-apparaten evolueren van “onbekend” naar “overal” in AC/DC- en DC/DC-voedingen, evenals in motoraandrijvingen.  Hier is waarom GaN zoveel aandacht heeft gekregen, en waar u op moet letten bij het kwalificeren van onderdelen of het samenstellen van een stuklijst.

Wat GaN te bieden heeft

GaN is een halfgeleider met een brede bandgap en een veel hoger kritisch elektrisch veld en elektronenmobiliteit dan silicium.  In de praktijk betekent dit transistors met lagere capaciteiten, snellere schakeling en aanzienlijk lagere schakelverliezen in vergelijking met silicium MOSFET’s.  In tegenstelling tot de bodydiodes van silicium MOSFET’s zijn GaN-vermogenstransistors niet afhankelijk van minderheidsladingsdragers, waardoor de reverse-recoveryladingen praktisch nul zijn.  De natuurkunde achter deze componenten vormt de basis voor de kleinere, koelere en efficiëntere voedingen van vandaag.

Ontwerpers kiezen doorgaans voor GaN in het bereik van ongeveer 100-650 volt, compacte telefoon- en laptopopladers en veel industriële voedingen.  Voor nog hogere spanningen en groter vermogen is siliciumcarbide vaak de betere keuze, zoals bij aandrijfinverters voor elektrische voertuigen en de in de auto ingebouwde oplader.  Beide zijn halfgeleidermaterialen van de nieuwe generatie, maar ze excelleren in verschillende bereiken, wat de reden is waarom distributeurs meestal opties in beide aanbieden.

Efficiëntie en vermogensdichtheid: Waarom inkopers dit belangrijk vinden

Omdat galliumnitride snel kan schakelen met weinig verlies, sturen ontwerpers op hogere schakelfrequenties (vaak twee tot vijf keer hoger dan die van voedingen op siliciumbasis).  Daardoor kunt u magnetische componenten en condensatoren verkleinen, de massa van koellichamen verminderen en de algehele vermogensdichtheid verhogen.  Het is deze technologie die achter de kleine vormfactor, krachtige USB-C Power Delivery-opladers en voedingseenheden zit die zo populair worden.  Bij deze hoogfrequente, hoogspanningssystemen ziet u aanzienlijk hogere flanksnelheden, waarbij tientallen volt per nanoseconde gebruikelijk zijn, wat referentieontwerpen vereist die de nadruk leggen op layoutdiscipline om elektromagnetische interferentie (EMI) onder controle te houden.

Al deze kenmerken leiden tot praktische voordelen voor eindgebruikers.  Met galliumnitride is het mogelijk om lagere systeemkosten te behalen bij dezelfde, of zelfs betere, prestaties.  Hoewel een GaN-component duurder kan zijn dan een vergelijkbare silicium MOSFET, dalen de systeemkosten vaak omdat u de magnetische componenten (transformatoren en dergelijke), condensatoren, thermische hardware en behuizingsvolume kunt verkleinen.  Dat is een stuklijstgesprek dat moderne vermogensontwerpers dagelijks zouden moeten voeren met hun systeemontwerpers.

De hogere efficiëntie van deze voedingen is een duidelijke weg naar eveneens hogere efficiëntiecertificeringen.  Voedingen voor datacenters en pc’s concurreren op energie-efficiëntielabels, en het gebruik van op GaN gebaseerde frontends maakt het behalen van die doelen eenvoudiger door PFC- en eerste-trapsverliezen bij deel- en volledige belasting te verminderen.

Ten slotte is een kleiner en lichter product voordelig voor iedereen.  Voor adapters en ingebouwde voedingen zijn verzendgewicht, poortdichtheid en thermisch comfort belangrijk.  De voordelen van de dichtheid van GaN zijn voor velen duidelijk en dit voordeel is te zien in de winkelschappen, waar multi-poort wandopladers van 65-100 watt half zo groot zijn als hun siliciumvoorgangers.  Als een eindproduct in zijn marketing de woorden “ultracompact” of “zakformaat” gebruikt, is de kans groot dat er galliumnitride in zit.

Topologietrends met galliumnitride

Er zijn enkele topologieën die steeds gebruikelijker worden dankzij de kenmerken die uniek zijn voor op GaN gebaseerde MOSFET’s.  Een nieuwere stijl van vermogensfactorcorrectie vervangt de gebruikelijke ingangsdiodebrug.  De snelle, schone schakeling maakt dit praktisch haalbaar, waardoor u hogere efficiëntie en minder onderdelen krijgt.  Het overslaan van deze diodebrug vereist wel een zorgvuldige circuitlayout, goede ingangsfiltering en aandacht voor stroommeting en schakeltiming om elektrische ruis onder controle te houden.

Of u nu een resonante converter of een eenvoudige halve brug gebruikt, GaN laat u sneller schakelen met minder verlies, wat betekent dat u een hoogfrequente geïsoleerde trap kunt gebruiken.  Dat levert een kleinere transformator en condensator op zonder in te leveren op efficiëntie.  Veel ontwerpers combineren een galliumnitride-frontend met een GaN-halve brug, zodat de gehele primaire zijde koeler en lichter werkt.

Aan de secundaire zijde verminderen laagspanning step-down- en step-up-trappen - zoiets als 48 volt naar 12 volt of 12 volt naar 5 volt - de energie die verloren gaat elke keer dat de schakelaars aan- en uitschakelen.  Het resultaat zijn compacte voedingen met meerdere uitgangen die efficiënt blijven, ook als de transformatoren kleiner worden.

Geïntegreerde GaN-vermogenstrappen zijn componenten waarbij de transistors zijn geïntegreerd met de driver en beveiliging.  Integratie verkort de gevoelige bedradingslussen, waardoor hogesnelheidsschakeling eenvoudiger te beheersen is, wat vaak de PCB vereenvoudigt.  Voor veel teams is dit de snelste weg naar een betrouwbaar ontwerp met hoge dichtheid.

Betrouwbaarheid van GaN-transistors

Vroege sceptici van GaN-technologie maakten zich zorgen over dynamische RDS(on)-verschuivingen, kwalificatiemethoden en betrouwbaarheid van de gate op lange termijn.  Als reactie op deze zorgen heeft de industrie test- en rapportagepraktijken gestandaardiseerd en publiceert zij toepassingsrelevante levensduurgegevens.  Vraag bij het evalueren van onderdelen om stressomstandigheden die overeenkomen met uw toepassing en zoek naar kwalificaties die zijn afgestemd op GaN-specifieke richtlijnen, in plaats van alleen op verouderde silicium MOSFET-tests.

Vanuit het oogpunt van een ontwerper is er een praktische checklist met punten om te controleren of aan te pakken, die we aanraden aan engineering- en sourcingteams.  

• Spanningsklasse en topologiegeschiktheid. Omdat de meeste GaN vandaag ideaal is in het bereik van 100-650 V, is het alleen zinvol in toepassingen die binnen dat bereik vallen.  Zelfs daarna moet u er echter voor zorgen dat alle andere parameters aan uw behoeften voldoen.
• Geïntegreerde versus discrete driver.  Geïntegreerde GaN-oplossingen, met driver en beveiliging inbegrepen, verminderen parasitaire effecten en ontwerprisico.  Discrete GaN-oplossingen bieden daarentegen flexibiliteit en kunnen meer behuizingsopties bieden.
• Thermische bescherming.  De efficiëntie is hoger dan bij veel andere technologieën, maar de behuizingen zijn kleiner.  Dit maakt het net zo belangrijk om thermische paden te valideren.  Zoals bij alle elektronica verlengt een koelere junctie de levensduur en voorkomt het verrassingen op het gebied van derating.
• Strategie voor elektromagnetische interferentie (EMI) - Snelle flanken besparen watts, maar kunnen ongewenste elektromagnetische golven uitzenden.  Begroot voor snubbers, spread-spectrum indien mogelijk, en simuleer common-mode-stromen vroegtijdig om er zeker van te zijn dat het ontwerp zowel goed functioneert als niet boven de emissie-eisen uitkomt.
• Toeleveringsketen en second-source.  Als distributeur zijn we ons maar al te goed bewust van de uitdagingen bij het sourcen van elektronische componenten.  Gelukkig is GaN, naarmate de vraag is gegroeid, een multivendor-markt geworden met meerdere leveranciers die soortgelijke componenten produceren.  

Samenvatting

De opkomst van galliumnitride is geen hype.  Het is een materiaalvoordeel dat is omgezet in dagelijkse ontwerpvoordelen.  Voor ingenieurs ontsluit het hogere efficiëntie, hogere frequentie en hogere vermogensdichtheid met gangbare tools en referentieontwerpen.  Voor inkopers kan het de systeemkosten verlagen, formaat en gewicht verminderen en ambitieuze efficiëntieroadmaps ondersteunen.  Bij het kwalificeren van uw componenten, zoek naar GaN-specifieke betrouwbaarheidsgegevens en bevestig de dekking van meerdere leveranciers om het risico van uw plan te verminderen.