كان الباحثون يبحثون عن بديل للسيليكون في أجهزة أشباه الموصلات ، وقاموا بتقييم كربيد السيليكون ونتريد الغاليوم (GaN) نظرًا لخصائصهما الفريدة. ومع ذلك ، وجدوا أن أجهزة GaN HEMT يمكنها تقليل حجم القالب مقارنةً بالسيليكون ، مما يؤدي إلى تحسين خصائص الإدخال والإخراج. كان أحد العوامل المهمة التي تم أخذها في الاعتبار أثناء التقييم هو فجوة النطاق العريضة ، حيث تسمح فجوة النطاق العالية بدرجات حرارة تشغيل أعلى ، وتيار تسرب داخلي أقل ، ومجال كهربائي حرج أقوى.
في الورقة البحثية “مراجعة وحدات طاقة GaN عالية السرعة: أحدث التقنيات والتحدي والحلول” ، ناقش العلماء تقنيات تصميم وحدات الطاقة وطرق التغليف المختلفة. في النهاية ، خلص الباحثون إلى أن جميع تقنيات التحسين تهدف إلى تحسين أداء ترانزستورات الطاقة المصنوعة باستخدام تقنيات GaN HEMT. الهدف النهائي هو زيادة كثافة الطاقة وكفاءتها.
أجهزة GaN HEMT: التاريخ
في عام 2004 ، قدمت شركة Eudyna في اليابان لأول مرة GaN HEMTs كترانزستورات وضع الاستنفاد لتطبيقات التردد اللاسلكي. ثم ، في عام 2009 ، طور تحويل الطاقة الفعال أجهزة GaN ذات وضع التحسين. بعد هذه الابتكارات ، بدأت العديد من الشركات ، مثل MicroGaN و Fujitsu و Panasonic و Texas Instruments ، في الاستثمار في هذه التكنولوجيا وطورت إصداراتها الخاصة من أجهزة Gallium Nitride HEMT.
تم تحقيق تحسينات في الأداء في أجهزة الطاقة القائمة على نيتريد الغاليوم من خلال استخدام غاز الإلكترون ثنائي الأبعاد (2DEG) ، والذي يتميز بمقاومة منخفضة وقدرات تيار عالية وكثافة عالية الطاقة. في عام 2018 ، طورت شركة GaN Power International جهاز GaN HEMT الجانبي بقوة 1200 فولت والمتوفر تجاريًا ، والذي تجاوز إلى حد كبير سوق أجهزة GaN 650 فولت. يعتقد خبراء الصناعة أن هذه التطورات أصبحت ممكنة بسبب طريقة تعبئة هذه الأجهزة.
أجهزة GaN HEMT: إجراء تصميم وحدة الطاقة
تتكون أجهزة الطاقة من العديد من أشباه الموصلات التي تموت مع مكونات سلبية ونشطة أخرى ، والتي يتم توصيلها في طوبولوجيا دائرة فعالة. تُستخدم أجهزة الطاقة هذه في محولات الطاقة ، والتي تضمن التحويل الموثوق للطاقة من الإدخال إلى طرف الإخراج للوحدة. أثناء تصميم هذه الأجهزة ، يتم أخذ العديد من العوامل في الاعتبار لضمان الأداء والكفاءة المحددة. عند تصميم وحدة طاقة ، يأخذ المصممون في الاعتبار المتطلبات الخاصة بالتطبيق ، مثل الطاقة المراد توصيلها ، وملف تعريف الحمل ، وتقييم الجهد ، والعوامل البيئية ، مثل درجة الحرارة والضغط والرطوبة.
يعد تحليل الخسارة خطوة حاسمة في عملية تصميم وحدة الطاقة. يتم إجراء ذلك لتقدير إجمالي فقد الطاقة داخل وحدة الطاقة ، بما في ذلك خسائر التوصيل والتبديل. تُستخدم هذه المعلومات لتحديد كفاءة النظام وتُستخدم أيضًا في التحليل الحراري الميكانيكي. يتم أيضًا تحديد سمات الإجهاد والانفعال لتقييم موثوقية الوحدة النمطية وعمرها. يتم اختبار أجهزة الطاقة في محاكاة الإجهاد والانفعال عن طريق محاكاة درجة الحرارة ودورة الطاقة.
بعد اكتمال عملية التصميم ، يجب اختبار الوحدة المصنعة باستخدام ملف التعريف الخاص بالتطبيق لتقييم كفاءتها عند استخدامها في نظام تحويل الطاقة المقصود. من المخطط الانسيابي المفصل المقدم للباحثين ، يمكن الاستدلال على أن تصميم وحدة الطاقة يتطلب مجموعة من المعرفة من مختلف التخصصات.
يتم تصنيف أجهزة GaN المتاحة تجاريًا على أنها GaN HEMTs الجانبية. وهي تستند إلى مبدأ التباين AlGaN-GaN. تتم زراعة أجهزة GaN هذه على ركائز من السيليكون أو كربيد السيليكون ، مع الاستفادة من توفرها والتكنولوجيا الراسخة. يوفر استخدام ركائز السيليكون أو كربيد السيليكون أيضًا فائدة إضافية للتوصيل الحراري العالي لوحدات الطاقة القائمة على GaN.
في عملية تصنيع وحدات الطاقة ، يتم اتخاذ خطوات لتحسين قدرتها. تنقسم تقنيات التغليف إلى عبوات على مستوى الرقائق للأجهزة الفردية وتغليف على مستوى الوحدة لتصميم مراحل تحويل الطاقة. الهدف من هذه الخطوة هو تقليل محاثة حلقة الطاقة والمقاومة ، ومحاثة حلقة البوابة ، وتحسين الإدارة الحرارية. سيقدم القسم التالي لمحة موجزة عن تقنيات التغليف هذه.
بعض الأمثلة على تقنيات تغليف وحدة طاقة الجهاز GaN HEMT
في أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين ، قدمت شركة Fairchild Semiconductors تقنية Ball Grid Array التي ألغت الحاجة إلى ربط الأسلاك وإطارات الرصاص باستخدام مطبات اللحام. هذه التكنولوجيا يمكن أن تقلل من مقاومة الوحدة وتعزز نقل الحرارة. في البداية ، طورت EPC منتجاتها بناءً على هذه التقنية حتى تحولت إلى تقنية Line Grid Array ، والتي قدمت محاثة طفيلية أقل من 0.5 nH ومقاومة حرارية 0.3 C / W. في وقت لاحق ، ظهرت العديد من التقنيات الأخرى ، واحدة منها تم تطويرها بواسطة Fraunhofer IZM و TU Berlin ؛ يسمح بدمج شرائح الطاقة في حزمة بوليمر منخفضة المستوى دون استخدام ركيزة DBC ويمكن أن يوفر تيار تحويل يزيد عن 80 أمبير.
بعد ذلك ، طورت أنظمة GaN تقنية تغليف رقاقة في بوليمر لتقليل الطفيليات على مستوى الجهاز وتعزيز قدرة المعالجة الحالية. تدمج تقنية التغليف GaNPx الحاصلة على براءة اختراع القالب العاري بين رقاقات نحاسية وفئة ألياف عالية الحرارة. يتم حفر الطبقة النحاسية للوصول إلى المحطات الطرفية للبوابة والصرف والمصدر ، ويتم توصيل القالب بورق النحاس من خلال فتحات مملوءة بالنحاس. يتم أيضًا تطبيق أقنعة وعلامات اللحام لتوفير العزل الكهربائي لجهاز الطاقة.
تجمع تقنية تغليف أخرى لوحدات GaN بين استخدام ثنائي الفينيل متعدد الكلور و DBC. تميل الوحدات التقليدية المرتبطة بالأسلاك القائمة على DBC إلى الحصول على محاثة طفيلية أعلى تحد من سرعة تبديل جهاز GaN. من ناحية أخرى ، تقلل التكنولوجيا المضمنة في ثنائي الفينيل متعدد الكلور من الحث الطفيلي الناجم عن التصميم ، ولكن لديها توصيل حراري ضعيف. لمعالجة هذا الأمر ، يمكن استخدام طبقة رقيقة من العازل الكهربائي. تعمل تقنية التعبئة الهجينة هذه على تحسين الحث الطفيلي وتوفر مقاومة حرارية أفضل.
التحديات والحلول لدفع أنظمة HEMT عالية السرعة من GaN في إلكترونيات الطاقة
كما ذكرنا سابقًا ، يمكن تحسين الحجم وسعة الوصلة وشحنة البوابة للترانزستور باستخدام المواد الصحيحة وتكنولوجيا البناء. تتميز أجهزة الطاقة القائمة على الجاليوم بسرعات تحويل عالية بسبب سرعة التشبع العالية والسعة الطفيلية المنخفضة. ومع ذلك ، فإن هذا يجعلها أيضًا عرضة لتوليد ضوضاء EMI أثناء التبديل. في هذا القسم ، سوف نستكشف أسباب هذه المشكلات والطرق المحتملة لحلها:
- تجاوز الجهد والتذبذب في البوابة وحلقة الطاقة أثناء إجراء التبديل-
عندما تُظهر أجهزة الطاقة سرعة تحويل عالية ، فهذا يعني أن الجهاز لديه تردد تحويل عالٍ مما يؤدي إلى تحسين كفاءة وكثافة طاقة النظام. ومع ذلك ، يمكن أن تشكل هذه الخاصية تحديًا خطيرًا لعملية موثوقة. مع نفس القدر من الحث في حلقة الطاقة والبوابة ، لاحظ الباحثون تجاوز الجهد والرنين عبر أطراف الجهاز. ستؤدي هذه الزيادة إلى ارتفاع معدلات عدد كبير بسبب إجراء التحويل الأسرع.
تتمثل إحدى طرق تقليل تجاوز الجهد في زيادة مقاومة البوابة ، مما يؤدي إلى إبطاء شحن وتفريغ سعة الإدخال. خيار آخر هو إضافة سعة خارجية موازية إلى جانب الإدخال. كلا هذين الحلين سيضعف فوائد أجهزة WBG عالية السرعة. لمنع هذه المشكلة ، من الأفضل تحسين تصميم الجهاز أثناء مرحلة التخطيط.
- مشكلة التوافق التي يسببها التداخل الكهرومغناطيسي-
في تحويل طاقة وضع التبديل (SMPS) ، يكون لشكل موجة التبديل ومصدر جهد الضوضاء شكل شبه منحرف بسبب وقت صعود وهبوط معين في النظام العملي. يتيح استخدام GaN ، الذي يتميز بأوقات صعود وهبوط أسرع من Si ، تشغيل تردد تبديل أعلى لتحسين الطاقة وكثافة الحجم للنظام. ومع ذلك ، فإن سرعات التحويل الأسرع والترددات الأعلى تزيد أيضًا من الضوضاء المنبعثة من مصدر ضوضاء EMI.
الطريقة الرئيسية لمعالجة هذه المشكلة هي تقليل السعة الطفيلية ، والتي يمكن القيام بها عن طريق تقليل حجم عقدة التبديل. ومع ذلك ، لا يمكن أبدًا جعل الحجم صفراً ، ويعتمد حد هذا التخفيض على حجم القالب ، وحجم إطار الرصاص ، والحاجة إلى وجود مسافة بينهما لتقليل الاتصال الحراري.
استنتاج
تقدم ورقة البحث نظرة عامة على حلول وتقنيات التعبئة والتغليف الحديثة لأجهزة ووحدات طاقة GaN. كما أنه يعطي نظرة ثاقبة للتطورات الأخيرة في تقنيات التغليف من الجهود البحثية التي تركز على GaN HEMT الجانبي. استنتج الباحثون أن بعض مجالات الاهتمام في أبحاث وحدة الجاليوم عالية السرعة تشمل:
- تقليل الحث الطفيلي في حلقات الطاقة والبوابة من خلال تحسين التخطيط
- تطبيق طرق توصيل جديدة بدلاً من ربط الأسلاك
- الجمع بين المكونات النشطة والسلبية في الوحدة النمطية لعملية التبديل عالية السرعة ، وتقليل ضوضاء EMI ، وتحسين التحكم الحراري.
هناك العديد من مخططات التغليف الجديدة والهياكل وتقنيات التكامل التي تم تطويرها لتقليل تأثير طفيليات الحزمة والقضاء على الآثار الجانبية لأجهزة الطاقة سريعة التبديل. يتم إجراء هذه التحسينات للحفاظ على الأداء العام وكفاءة ترانزستورات الطاقة المصنعة باستخدام تقنية GaN HEMT.
