Laitteiden virransyötön pitää onnistua yhä pienemmillä, viileämmillä ja tehokkaammilla ratkaisuilla. Tavoitteisiin voidaan päästä galliumnitridi-pohjaisilla tehokomponenteilla.

Artikkelin kirjoittaja Jim Witham on GaN Systemsin toimitusjohtaja. Hänellä on pian 25 vuoden kokemus elektroniikan parissa. Jim työskenteli Tyco Electronicsilla johtotehtävissä vuosina 1990-2000, jonka jälkeen hän työskenteli Genoassa ja Aegis Semiconductorilla myyntitehtävissä. Vuosina 2004-2009 Jim toimi Fultec Semiconductorin toimitusjohtajana ja vuosina 2009-2013 Neoconixin toimitusjohtajana ennen GaN Systemsin johtoon maaliskuussa 2014. Hänellä on mekaniikkasuunnittelijan tutkinto Stanfordista sekä liiketalouden tutkinto Harvardista.

Tehojärjestelmien täytyy olla hyötysuhteeltaan nykyistä parempia, jotta voimme vähentää ympäristövaikutuksiamme, sekä pienempiä, kevyempiä ja edullisempia, jotta teknologinen edistys auttaisi yhä helpottamaan elämäämme. Viime vuosikymmeninä MOSFET- ja IGBT-valmistajat ovat saaneet aikaan hienoja saavutuksia, mutta lisää edistysaskelia tarvitaan ja myös uusia materiaaleja. Piikarbidilla (SiC) on paremmat teho-ominaisuudet kuin piillä mutta se on hyvin kallista, eivätkä sen ominaisuudet ole yhtä hyvät kuin gallumnitridin. GaN-materiaali tuo kertaluokkia paremman suorituskyvyn kytkentään ja lämmönjohtavuuteen, ja valmistettuna piialustalle (GaN-on-Silicon) se voi alentaa tehojärjestelmän kustannuksia. Vain timanttipohjaiset tehopuolijohteet omaavat GaN-transistoreja paremmat ominaisuudet, mutta yleisesti ajatellaan että sen kaupallinen hyödyntäminen on vielä vuosikymmenten päässä.

Nopeuden, lämpöominaisuuksien ja tehonkäsittelyn suhteen galliumnitridi on valmis hallitsemaan markkinoita. Tehojärjestelmien suunnittelijat ympäri maailmaa ovat samaa mieltä siitä, että GaN-transistori voi olla tehoelektroniikan tärkein yksittäinen edistysaskel sitten IGBT:n tulos 1990-luvulla. Innostus GaN:n käytöstä tehosovelluksissa nousee sen ainutlaatuisista materiaali- ja sähköisistä ominaisuuksista, joiden ansiosta tuotteiden tehohäviöt jäävät 50-90 prosenttia pienemmiksi, järjestelmien koko ja paino jopa 75 prosenttia pienemmäksi. Myös materiaalikustannukset pienenevät.

Tämä tulee muuttamaan sitä, miten tehojärjestelmiä suunnitellaan ja käytetään. Uusien tehokomponenttien kulta-aika koittaa väistämättä.

GaN-komponenteilla on viisi keskeistä piirrettä, jotka perustuvat galliumnitridin luontaisiin ominaisuuksiin: korkea eristyskyky, korkea toimintalämpötila, suuri virtatiheys, erittäin nopea kytkentänopeus ja alhainen resistanssi. Piihin verrattuna GaN tarjoaa 10 kertaa suuremman jännitevälin (breakdown voltage), kestävät kolme kertaa suurempia jännitteitä, taajuuksia ja lämpötiloja (bandgap) ja tuovat erittäin suuren elektronien liikkuvuuden. Onkin selvää, että piirit joissa otetaan suurin hyöty näistä ominaisuuksista ja helpotetaan niiden suunnittelua oikeisiin sovelluksiin, tuovat valmistajilleen merkittäviä kaupallisia etuja.

GaN-tehotransistorien tärkeimmät sovellusalueet ovat AC/DC-teholähteet, DC/AC-invertterit, DC/DC-teholähteet, datatietoliikenne, kulutuselektroniikka, moottorit, punput, induktiojäähdytys, akkujen lataaminen, aurinko- ja tuulivoima, sähkö- ja hybridiajoneuvot, sekä monet muut autoelektroniikan ja kuljetusalan sovellukset.

GaN-tekniikan helpompaan hyödyntämiseen

Jo nyt GaN-transistorit, joiden suorityskyky, luotettavuus ja kustannukset ovat kohdallaan, ovat tulossa markkinoilla ja aloittamassa tämän murroksen tehoelektroniikassa.

Esimerkiksi ottawalaisen GaN Systemsin GaN-tehotransistorien valkoima kattaa virta-alueen 8-250 ampeeria, ja piirien ainutlaatuinen rakenne maksimoi saannon valmistuksessa ja tuottaa hyötysuhteeltaan hyvn tehokkaita kytkinpiirejä merkittävästi perinteisiä suunnittelutapoja alhaisemmin kustannuksin. GaN Systemsin ydinosaamista ovat yrityksen Island Technology -piirirakenne, GaNPX-kotelotekniikka ja piirille integroidut Drive Assist -ajurit. Näitä jokaista kannattaa katsella tarkemmin, jotta ymmärtää miten galliumnitridin ominaisuudet on niissä maksimoitu.

Uusi piirirakenne

Island Technology -piirit eli GaN Systemsin puolijohdesirut valmistetaan vaihtelevien nielu- ja lähdemateriaalien saarekkeiden matriisina, jossa hilat muodostavat verkon saarekkeiden - tai saarien - välillä. Tämä maksimoi hilan pituuden tietyn alan sisällä ja levittää lämmön kanavasta tasaisesti koko piirin alueelle.

Tämä johtaa merkittävään alan pienenemiseen ja sitä kautta galliumnitridikomponentin hinnan alenemiseen. Saaret eivät ole kytköksissä toisiinsa piirin sisällä. Sen sijaan virta otetaan pystysuorasti piirin ulkopuolelta tai kotelosta.

GaNPX-kotelointi

Vain parhaan piirin valmistaminen ei riitä. Jotta Island Technology -sirujen luontaisesta nopeasta kytkennästä ja virtatiheydestä saadaan kaikki hyöty irti, on GaN Systems suunnitellut oman GaNPX-koteloratkaisunsa, jonka induktanssi on erittäin pieni ja lämpöresistanssi erinomainen.

Koteloissa ei ole lankaliitoksia, mikä auttaa rajoittamaan induktanssia ja eliminoi samalla yhden yleisen puolijohdekomponenttien luotettavuutta heikentävän tekijän.

Ajurit piirillä

GaN Systems käyttää piirille integroituja Drive Assist -ajureita, mikä yksinkertaistaa piirisuunnittelua ja ratkaisee ajuriongelmat samalla parantaen kytkentänopeutta. Rakenne parantaa komponenttien kohinavastustuskykyä, minkä ansiosta GaN System voi toimittaa laajan valikoiman yksisiruisia, normaalisti suljettavia GaN-transistoreja 100-400 ampeerin alueella.

Kaiken kaikkiaan nämä kolme tekniikkaa tarkoittavat, että GaN Systemsin tuotteet käyttävät standardia, “suoraan-hyllyltä tulevaa” ajurielektroniikkaa ja vastaavat luotettavuuteen ja suorituskykyyn liittyviin haasteisiin kuten elektromigraatio. Lisäksi GaN Systemsin tekniikka auttaa yritystä skaalaamaan piirejään merkittävästi suurempiin virtoihin kuin toisilla topologioilla on mahdollista. Tämä voidaan tehdä vielä korkeilla saannoilla ja erilaisilla valmistusprosesseilla, piirimäärityksillä ja alustamateriaaleilla yhdellä ainoalla suunnitteluperheellä.

Selvästikin uusien teknologioiden käyttöönotto vaatii oppimista ja on piirivalmistajien tehtävä helpottaa niiden suunnittelijoiden työtä, jotka haluavat hyödyntää uusia galliumnitridikomponentteja uusimmissa suunnitteluissaan. GaN Systemsin verkkosivuilta löytyvistä sovellusohjeista yksi kattaa ajurisuunnittelun perusperiaatteet, kuten hilan ominaisuudet, nopeat kytkentärajat, hilan matala impedanssi, käänteinen johtaminen, hilan kytkeminen negatiivisesi, suositellut ajurin ominaisuudet sekä hilan eristyksen, kaikki selkein kaavioin esitettynä. Sovellusohjeen toisessa osassa kuvataan 650VGaN E-HEMT -pohjainen referenssisuunnittelu täydellisine materiaalikustannuksineen.

Toinen sovellusohje puolestaan esittää GS66508P E-mode GaN on Si -tehokytkimen (34A, 41mΩ) lämpöanalyysin kaavioineen ja tarkkoien selityksineen, miten GaNPX-kotelointi jakaa lämpöä komponentissa. Ohjeen toisessa osassa tarkastellaan sitä, mitä kysymyksiä pitää otttaa huomioon kun GaNPX-komponentteja suunnittellaan piirikortille. Mukana on osio, jossa esimerkiksi arvioidaan järjestelmän maksimitehokapasiteettia.

Sovellusohjeet löytyvät GaN Systemsin verkkosivuilta.