SuperGaN FETs تعزز الكفاءة – أخبار إلكترونيات الطاقة

تعد إلكترونيات الطاقة مجالًا سريع النمو مهمًا في العديد من الصناعات ، من الطاقة المتجددة إلى السيارات الكهربائية. من بين المكونات الرئيسية لأنظمة إلكترونيات الطاقة ترانزستورات الطاقة ، والتي تتحكم في تدفق الكهرباء في مختلف التطبيقات. طورت Transphorm نوعًا جديدًا من الترانزستور ، SuperGaN FET ، والذي يهدف إلى تعزيز أداء ترانزستورات طاقة نيتريد الغاليوم في تكوين الكود.

أخذت Transphorm شاحنًا للكمبيوتر المحمول للألعاب بقوة 280 واط ، وتم إسقاطه في أجهزة SuperGaN المتوافقة مع طرف إلى طرف ، لتحل محل أجهزة GaN الموازية التي يتم شحنها في المحول. قال فيليب زوك ، نائب الرئيس الأول لتطوير الأعمال والتسويق في Transphorm ، خلال APEC 2023 أن SuperGaN توفر كفاءة أعلى في استهلاك الطاقة.

SuperGaN FETs

نيتريد الغاليوم عبارة عن أشباه موصلات ذات فجوة عريضة توفر العديد من المزايا مقارنة بالأجهزة التقليدية القائمة على السيليكون ، بما في ذلك الكفاءة العالية وسرعات التحويل الأسرع وكثافة الطاقة العالية. وفقًا لـ Transphorm ، تم تصميم SuperGaN FETs لتقديم الميزات التالية:

• كفاءة عالية: تم تصميم هذه الترانزستورات لتكون أكثر كفاءة بنسبة تصل إلى 40٪ من الترانزستورات التقليدية القائمة على Si. هذا يعني أنها تهدر طاقة أقل وتولد حرارة أقل ، مما قد يؤدي إلى عمر أطول للجهاز وتقليل متطلبات التبريد.
• موثوقية عالية: تم تصميم SuperGaN FETs من Transphorm ليكون موثوقًا للغاية ، مع معدل فشل يُقال إنه أوامر من حيث الحجم أقل من الترانزستورات التقليدية القائمة على Si.
• الجهد العالي: تم تصميم هذه الترانزستورات لتعمل بجهد كهربائي عالي ، مع جهد انهيار للتيار المستمر يصل إلى 650 فولت و 800 فولت ، مما يجعلها مناسبة للعديد من تطبيقات تحويل الطاقة عالية الجهد ، بما في ذلك المركبات الكهربائية والطاقة المتجددة الأنظمة والمعدات الصناعية.
• سهولة القيادة: تم تصميم SuperGaN FETs من Transphorm لتكون سهلة القيادة ، مع شحنة بوابة منخفضة ومنطقة تشغيل آمنة واسعة. هذا يعني أنه يمكن استخدامها مع دوائر دفع البوابة المختلفة ، مما يجعلها مثالية لمختلف التطبيقات.
• عمر أطول للجهاز: تولد هذه الترانزستورات حرارة أقل من الترانزستورات التقليدية القائمة على Si ، مما يؤدي إلى عمر أطول للجهاز وتقليل متطلبات التبريد.
• كثافة طاقة أعلى: هذه الترانزستورات أكثر كفاءة من الترانزستورات التقليدية القائمة على Si ، لذا يمكنها تحقيق كثافة طاقة أعلى.

تقوم شركات Transphorm وشركات أخرى ، مثل Nexperia ، بتصنيع الأجهزة المشفرة. الفائدة الأساسية لهذه الاستراتيجية هي محرك البوابة. نظرًا لأن Si MOSFET يتم تشغيله بجهد عتبة في النطاق من 3 إلى 4 فولت وأكسيد بوابة ذو تصنيف نموذجي يبلغ ± 20 فولت ، فإن السائق لديه نافذة تشغيلية واسعة ، في حين أن الكود لديه هامش أمان قوي وممتاز مناعة ضد الضوضاء. يمكن استخدام محركات البوابة أحادية القطب ، مثل تلك المستخدمة في تطبيقات Si. بالإضافة إلى ذلك ، فإن وجود الصمام الثنائي لجسم Si MOSFET الحر ومعامل درجة الحرارة المنخفضة لدائرة cascode إلى R_{DS (تشغيل)} مفيدة في التطبيقات ذات درجات الحرارة العالية والحالية. في دارة الكود ، يمكن أن يكون تسرب البوابة أقل من أمرين من حيث الحجم في جهاز الوضع الإلكتروني النموذجي. نتيجة لزيادة هوامش البوابة ، تتوفر المزيد من حزم TO-247 ذات الكفاءة الحرارية. تتوفر أجهزة مؤهلة للسيارات AEC-Q101. سعة الإخراج ، فقدان الاسترداد العكسي من الصمام الثنائي للجسم Si MOSFET وقليل من التحكم في معدل الدوران بسبب نسبة مساهمة من R_{DS (تشغيل)} جهاز Si هي بعض عيوب النهج المتتالي.

مقارنة وجهاً لوجه مع الوضع الإلكتروني GaN

لإثبات الأداء العالي والموثوقية لسلسلة عائلة SuperGaN FET ، أجرى Transphorm مقارنة وجهاً لوجه مع GaN HEMTs باستخدام شاحن كمبيوتر محمول للألعاب يعتمد على 280 واط GaN. خلال APEC 2023 ، أظهر Zuk وثيقة مقارنة حول الكفاءة. علق Transphorm بأن أجهزة GaN ذات الوضع الإلكتروني (المصنعة بواسطة TSMC) المقدمة في الأصل في محول الطاقة 280-W تم استبدالها بأجهزة SuperGaN المتوافقة مع طرف إلى طرف لإجراء الاختبار.

يشتمل محول الطاقة على مرحلة PFC ومحول طاقة طنين LLC ويمكن أن يعمل في وضع التوصيل المتقطع (DCM) أو وضع التوصيل الحرج (CrM). تتميز أجهزة GaN الأصلية بمقاومة تصل إلى 50 متر مكعب في حزمة PQFN 8 × 8 مم.

وفقًا لتحليل Transphorm ، تجدر الإشارة إلى أن كلا من DCM و CrM متشابهان من حيث أنهما يسمحان لتيار المحرِّض بالهبوط إلى الصفر خلال جزء من دورة التبديل. ومع ذلك ، فإن الاختلاف بينهما يكمن في توقيت حدوث ذلك. في DCM ، ينخفض ​​تيار المحرِّض إلى الصفر قبل نهاية دورة التبديل ، بينما في CrM ، يمكن أن ينخفض ​​إلى الصفر في النهاية. يعتمد الاختيار بين هذه الأوضاع أيضًا على المتطلبات المحددة للتطبيق ، مثل مستوى الطاقة ونوع الحمل ومتطلبات الكفاءة. كانت GaN المنسدلة عبارة عن SuperGaN FETs لـ Transphorm (× 2) تتميز بمقاومة 72 متر مكعب في حزمة PQFN 8 × 8 مم مع عدد سلبي منخفض لدائرة القيادة.

نتائج تجريبية

توضح النتائج التجريبية في الشكل 1 أن أجهزة الطاقة التي تستخدم GaN في Transphorm يمكن أن توفر طاقة أكبر على دورات حياة المنتج النهائي الأطول بفضل أداء SuperGaN الملحوظ ومزايا الموثوقية طويلة الأجل.

يعد وعد GaN الجوهري بزيادة كفاءة الطاقة أحد العوامل الرئيسية التي تؤثر على اعتماده. كما هو مبين في الشكل 1 ، يكون منحنى الكفاءة لأجهزة الطاقة SuperGaN 72-mΩ الخاصة بـ Transphorm أعلى من نفس المنحنى للأجهزة الأخرى. يتم الحفاظ على هذا الاختلاف عبر نطاق طاقة الإخراج بالكامل (من 0 إلى 300 واط) ، كما يتضح من الخط المنقط (فرق الكفاءة).

وفقًا لـ Zuk ، باستخدام نفس التكوين وبجهد دخل 115 فولت_{تيار متردد} @ 280 واط ، كشف التحقيق عن اختلاف كبير في درجات حرارة التشغيل ، كما هو موضح في الجدول 1.

شرح النتائج

يستحق هذا الاختلاف في درجة حرارة التشغيل مزيدًا من البحث. وفقًا لأوراق البيانات وتحقيقات حجم القالب ، فإن أجهزة SuperGaN و GaN FET ذات الوضع الإلكتروني لها نفس أحجام القوالب و C_OSS خسائر الطاقة الناتجة (E_OSS).

نظرًا لأحجامها القابلة للمقارنة ، فإن معامل المقاومة الحرارية من الوصلة إلى الحالة (R_thJC) سيكون مشابهًا أيضًا ، مما يعني أن الجهازين يحققان انتشارًا مشابهًا للحرارة.

وفقًا لتحليل Transphorm ، تجدر الإشارة إلى أن R._thJC هي معلمة تحدد المقاومة بين التقاطع داخل جهاز أشباه الموصلات والحالة الخارجية أو حزمة الجهاز ، وتُقاس عادةً بالدرجات المئوية لكل واط. هذه المعلمة مهمة لأنها تحدد مدى كفاءة تبديد الحرارة من الجهاز إلى البيئة من خلال العلبة أو العبوة وبالتالي تؤثر على درجة حرارة تشغيل الجهاز. عموما ، أقل R_thJC تشير القيمة إلى أداء حراري أفضل ، لأنها تسمح بتبديد الحرارة بشكل أكثر كفاءة وتساعد على منع ارتفاع درجة حرارة الجهاز.

وقال التحليل إن الجهازين “إي_OSS القيم متشابهة جدًا أيضًا ، كما تؤكده ورقة البيانات E_OSS المنحنيات. مع التصميم الذي يعمل في وضع تبديل الجهد الصفري (DCM أو CrM) يلغي بشكل فعال أي خسارة تبديل تشغيل ومع تشابه خسارة تبديل الإيقاف من خلال مراقبة أشكال موجة التبديل ، يوضح التحليل أن فرق درجة الحرارة ناتج عن التوصيل الخسائر (عند المقاومة) ، حيث تكون خسائر محرك البوابة ضئيلة.

تم التحقق من هذه الحرارة العالية للوضع الإلكتروني في TSMC بشكل مستقل في الأبحاث المنشورة من قبل IEEE ، حيث أبلغت عن زيادة قدرها 3.72 × عن قيم المقاومة النموذجية بناءً على درجة الحرارة والجهد.