Gli HEMT GaN contribuiscono ad aumentare l'efficienza degli alimentatori

Devo confidarvi una mia riflessione. Nel molti anni trascorsi nel settore dell'elettronica, sia come progettista di circuiti che come redattore, mi sono reso conto che la maggior parte degli ingegneri e dei tecnici (me compreso) non è interessata ai minimi dettagli sui materiali, sui processi e sulla tecnologia di fabbricazione dei semiconduttori. Esistono certamente persone che "vivono" per l'annuale IEEE ISSCC (International Solid State Circuits Conference) e si preoccupano dei dettagli dei processi e dell'innovazione. Il loro lavoro è importante, impressionante e ammirevole.

Ma ciò che la maggior parte dei progettisti vuole sapere non è come è stato fabbricato un dispositivo, ma cosa è in grado di fare: i suoi punti di forza, le sue debolezze, i suoi compromessi e altre caratteristiche fondamentali. Una dichiarazione tipo: "il mio processo è più piccolo, migliore, consuma meno, è più veloce e forse più economico del tuo" non è di per sé entusiasmante. Sono invece i componenti che da tale processo derivano, i numeri e i grafici delle schede tecniche che contano davvero per la maggior parte dei potenziali utenti.

Nonostante questa visione, la realtà è che la tecnologia di processo è importante e fondamentale per i progressi, sia delle prestazioni che delle capacità dei semiconduttori. Ciò è particolarmente vero nell'attuale scenario dei dispositivi di potenza, dove la commercializzazione di processi nuovi o migliorati sta ridefinendo ciò che può essere realizzato con i circuiti di commutazione e i relativi sistemi. Le applicazioni spaziano dai semplici caricabatterie per smartphone ai veicoli elettrici e alle stazioni di ricarica. Potrei definire questa evoluzione "rivoluzionaria", ma questa parola è abusata e ha perso il suo vero significato.

I dispositivi ad ampio bandgap al cuore delle nuove funzionalità

Al centro di questo cambiamento c'è la disponibilità di semiconduttori di potenza ad ampio bandgap (WBG) realizzati con materiali e processi a base di carburo di silicio (SiC) e nitruro di gallio (GaN). I dispositivi WBG offrono molteplici vantaggi rispetto a quelli tradizionali basati sul silicio (Si) e, in molti casi, li stanno soppiantando o permettono di creare nuovi progetti che prima non erano realizzabili (Figura 1).

Figura 1: Le caratteristiche dei dispositivi di potenza basati su GaN e SiC dimostrano che questi nuovi componenti WBG hanno cifre di merito interessanti rispetto ai componenti in solo silicio. (Immagine per gentile concessione di Scholarly Community Encyclopedia)

In particolare, i transistor ad alta mobilità elettronica (HEMT) basati su GaN sono superiori ai dispositivi convenzionali a base di silicio in termini di frequenza di commutazione, potenza nominale, capacità termica ed efficienza, tutti fattori cruciali per migliorare le prestazioni dei convertitori di potenza avanzati. Questi vantaggi sono il risultato delle caratteristiche intrinseche del GaN in termini di tensione WBG, elevato campo elettrico di rottura critica, elevata conducibilità termica e alta velocità di saturazione elettronica. I dispositivi di commutazione di potenza basati su GaN possono offrire una piccola resistenza nello stato On, un'elevata capacità di corrente e un'elevata densità di potenza.

Quelli disponibili in commercio offrono una tensione di funzionamento che va da 100 a quasi 1000 V, un'elevata frequenza di commutazione, un funzionamento ad alta temperatura e perdite di commutazione ridotte. Il GaN presenta cifre di merito più elevate rispetto al SiC; ma il materiale è più difficile da cristallizzare e lavorare.

HEMT è una tecnologia GaN in cui gli elementi si formano solo sulla superficie di un substrato su cui è possibile la crescita del cristallo GaN. Attualmente, i principali FET GaN commerciali sono HEMT laterali.

La struttura di gate laterale dei FET GaN comprende un substrato di silicio, un buffer GaN, una barriera al nitruro di gallio e alluminio (AlGaN), tre terminali di connessione (source, gate e drain), uno strato di passivazione (dielettrico di protezione) e una piastra di campo che si estende dal terminale source (Figura 2). L'eterogiunzione (una giunzione tra due semiconduttori diversi) della barriera AlGaN e del buffer GaN forma un canale bidimensionale di gas di elettroni (2DEG).

Figura 2: La struttura dei dispositivi di potenza GaN mostra strati multipli e un canale 2DEG attraverso il quale scorre o viene interrotta la corrente. (Immagine per gentile concessione di ResearchGate)

Questo canale presenta un'elevata densità di carica e mobilità. La corrente scorre nel canale 2DEG, a differenza di un MOSFET in Si dove il canale per il flusso di corrente è la regione di carica spaziale tra il source e il drain.

Va notato che un HEMT GaN standard è normalmente On, a differenza di un MOSFET convenzionale che è normalmente Off. Per portare un HEMT GaN allo stato Off, più facile da usare e preferito nella maggior parte dei progetti di circuiti per comodità e sicurezza, è necessario esaurire lo strato 2DEG che, a sua volta, provoca la cessazione del flusso di corrente.

Ne risulta che i dispositivi di commutazione GaN sono di due tipi diversi: modalità potenziata (e-GaN) e modalità depletion (d-GaN). Un transistor in modalità depletion è normalmente On e richiede l'uso di una tensione negativa applicata al gate per spegnersi. Un transistor in modalità potenziata è normalmente Off e viene acceso da una tensione positiva applicata al gate.

SiC e GaN a confronto

La differenza più significativa tra GaN e SiC sta nella mobilità elettronica, che corrisponde alla velocità con cui gli elettroni possono muoversi attraverso il materiale semiconduttore. Il silicio standard ha una mobilità degli elettroni pari a 1500 cm² per volt/secondo (cm²/volt-s). Il SiC, tuttavia, ha una mobilità degli elettroni di 650 cm²/volt-s e il GaN arriva a 2000 cm²/volt-s, il che significa che gli elettroni del SiC si muovono più lentamente di quelli del GaN e del silicio.

Gli elettroni del GaN possono muoversi oltre il 30% più velocemente di quelli del silicio. Con una mobilità elettronica così elevata, il GaN è quasi tre volte più adatto alle applicazioni ad alta frequenza.

Inoltre, il GaN ha una conducibilità termica di 1,3 W/cm-K, peggiore di quella del silicio, che è di 1,5 W/cm-K. Tuttavia, il SiC ha una conducibilità termica di 5 W/cm-K, che lo rende quasi tre volte più efficiente nel trasferire i carichi termici. Questa caratteristica conferisce al SiC un forte vantaggio nelle applicazioni ad potenza e temperatura elevate.

GaN e SiC rispondono a esigenze di potenza diverse sul mercato. I dispositivi SiC offrono livelli di tensione fino a 1200 V con elevate capacità di trasporto di corrente. Ciò li rende adatti ad applicazioni come gli inverter di trazione per autoveicoli e locomotive, i parchi solari ad alta potenza e i grandi convertitori di rete trifase.

I dispositivi GaN HEMT, invece, hanno una tensione nominale di 650 V e possono essere idonei per convertitori ad alta densità nell'ordine dei 10 kW e oltre. Le loro applicazioni comprendono alimentatori di grande diffusione, server, telecomunicazioni e industria, azionamenti per servomotori, convertitori di rete e caricatori di bordo per veicoli elettrici e convertitori c.c./c.c.

Nonostante queste differenze, le tecnologie SiC e GaN si sovrappongono in alcune applicazioni al di sotto dei 10 kW.

I dispositivi GaN disponibili mettono in luce le loro prestazioni

Lo sviluppo di dispositivi basati su GaN ha richiesto molti anni di ricerca e sviluppo in laboratorio. Ora sono in produzione commerciale da oltre un decennio. Possiamo vedere due esempi con GNP1070TC-Z e GNP1150TCA-Z, HEMT GaN a 650 V di ROHM Semiconductor, entrambi ottimizzati per un'ampia gamma di applicazioni di sistemi di alimentazione (Figura 3). GNP1070TC-Z è un dispositivo da 20 A e 56 W in modalità potenziata con una resistenza drain-source (RDSon) di 70 mΩ e una carica del gate (Q_g) di soli 5,5 nC (entrambi tipici). Per GNP1150TCA-Z, un dispositivo da 11 A e 62,5 W, i valori corrispondenti sono rispettivamente 150 mΩ e 2,7 nC.

Figura 3: Questo è il circuito interno dell'HEMT GaN GNP1070TC-Z da 20 A, simile al modello GNP1150TCA-Z da 11 A, entrambi idonei per una serie di applicazioni di potenza a 650 V. (Immagine per gentile concessione di ROHM Semiconductor)

Questi due componenti sono stati sviluppati congiuntamente con Ancora Semiconductors, Inc. un'affiliata di Delta Electronics, Inc. che si occupa dello sviluppo di dispositivi GaN. Offrono prestazioni ai vertici del settore che contribuiscono a una maggiore efficienza e a dimensioni ridotte in una più ampia gamma di alimentatori.

Sono alloggiati in contenitori DFN8080K a 8 conduttori di 8 × 8 × 0,7 mm (Figura 4).

Figura 4: Nonostante i valori nominali di corrente e tensione più elevati, i dispositivi GaN GNP1070TC-Z e GNP1150TCA-Z sono entrambi alloggiati in un contenitore di soli 8 mm di lunghezza. (Immagine per gentile concessione di ROHM Semiconductor)

Conclusione

I dispositivi di commutazione di potenza WBG che utilizzano HEMT GaN offrono ai progettisti vantaggi sostanziali in termini di prestazioni rispetto ai dispositivi tradizionali basati esclusivamente sul silicio. Offrono inoltre vantaggi specifici rispetto ai dispositivi SiC per quanto riguarda la frequenza operativa e la dissipazione termica; quest'ultimo è un fattore particolarmente importante nelle applicazioni reali. Utilizzando componenti GaN come GNP1070TC-Z da 20 A/650 V e GNP1150TCA-Z da 11 A/650 V di ROHM Semiconductor, i progettisti possono implementare convertitori di potenza e alimentatori che altrimenti non sarebbero realizzabili o che avrebbero gravi limitazioni di funzionamento.

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