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.
SuperGaN FETs
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 أجهزة GaN البديلة وأقرب إلى موثوقية الترانزستورات التقليدية الناضجة القائمة على Si.
- الجهد العالي: تم تصميم ترانزستورات SuperGaN 650 فولت للعمل بجهد كهربائي مرتفع ، 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 ، أنظمة الطاقة المتجددة والمعدات الصناعية.
- سهولة القيادة: تم تصميم SuperGaN FETs من Transphorm لتكون سهلة القيادة ، مع شحنة بوابة منخفضة ومنطقة تشغيل آمنة واسعة. تقوم شركة Transphorm وشركات أخرى ، مثل Power Integrations و Nexperia ، بتصنيع أجهزة الكود التي يتم إيقاف تشغيلها بشكل طبيعي. تتمثل الفائدة الأساسية لتكوين هذا الجهاز في ضعفين سهولة قيادة بوابته (متوافقة مع الوراء مع MOSFETs السيليكون) i والأعلى أداء من خلال الفيزياء وأبسط إصدار لتصنيع GaN HEMT. 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 ذي العجلات الحرة ومعامل درجة الحرارة المنخفض لدائرة الكود (TCR) لمقاومة الحالة RDS (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. 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 ، لذلك يمكنها تحقيق ما يصل إلى 50٪ كثافة طاقة أعلى.
وجها لوجه مع الوضع الإلكتروني GaN
في مقال حديث ، سلطنا الضوء على مقارنة مباشرة أجرتها Transphorm على شاحن الكمبيوتر المحمول للألعاب Razer 280-W GaN. هنا تمت مقارنة أجهزة GaN بالوضع الإلكتروني مع كود SuperGaN FETs المتوافق عادةً من طرف إلى طرف في حزم 8 × 8 PQFN. أظهر فيليب زوك ، نائب الرئيس الأول لتطوير الأعمال والتسويق في Transphorm ، هذه المقارنة لأول مرة في مؤتمر APEC 2023. يعمل محول الطاقة PFC الخاص بمحول الطاقة بتردد تحويل 80 كيلو هرتز إما في وضع التوصيل المتقطع (DCM) أو وضع التوصيل الحرج (CrCM). لوحظ تحسن كفاءة بنسبة 1.27٪ إلى 0.27٪ على مدى طاقة الخرج من 0 إلى 300 واط عند تيار متردد = 90 فولت. تؤكد البيانات الجديدة المقدمة في هذه المقالة أن السبب الرئيسي لتحسين الكفاءة قد يكون من انخفاض خسائر التوصيل في SuperGaN FETs.
بيانات تجريبية جديدة
توضح اللوحة اليسرى من الشكل 1 اختلاف درجة حرارة الحالة عند تيار متردد = 115 فولت بين وضع TSMC الإلكتروني GaN A FET مع تصنيف RDS (تشغيل) = 50 mOhms و Transphorm SuperGAN FET مع R.DS (تشغيل) = 72 ميغا أوم. تُظهر أجهزة SuperGaN الموازية Q1 و Q2 درجة حرارة أقل بنسبة 31٪ و 48٪. تقارن اللوحة اليمنى وضع e-mode GaN FET لمسبك TSMC آخر ، وهذه المرة جهاز TSMC e-mode GaN B 60 mOhm ، مع نفس Transphorm SuperGaN ، وهنا يظهر تحسن بنسبة 34٪ و 39٪ في درجة حرارة حالة SuperGaN.
يوضح الشكل 2 مقارنة مماثلة ، ولكن هذه المرة مع الوضع الإلكتروني غير TSMC GaN مع 50 مللي أوم. مرة أخرى ، لوحظ انخفاض كبير في درجة الحرارة مع SuperGaN FET في نفس ظروف القيادة / التحميل.
الشكل 2: مقارنات درجة حرارة الحالة بين جهاز Infineon e-mode GaN مقابل Transphorm SuperGaN FET
يتم توضيح كفاءة المحول عند استخدام أجهزة GaN المختلفة الموضحة في الأشكال 1 ، 2 في الشكل 3.
الاستنتاجات
ترتبط تحسينات الكفاءة بدرجات حرارة الحالة الصغرى لرموز SuperGaN FETs تحت نفس ظروف القيادة والتحميل. أظهرت مقارنة سابقة لخسائر تبديل Eoss أيضًا أنها متشابهة عبر أجهزة GaN التي تمت دراستها. يظهر الاختلاف الرئيسي في RDSON الاستجابة بين الوضع الإلكتروني وأجهزة cascode. عند محرك البوابة البالغ ≈ 5 فولت المستخدم على أجهزة الوضع الإلكتروني ، لوحظ أن القناة لم يتم تحسينها بالكامل. تم تحسين TCR لـ RDS (تشغيل) في الكود العادي GaN FETs عامل مهم.
