Нитрид галлиевые (GaN) полевые транзисторы - новое поколение силовых приборов.

Современные требования к размерам, эффективности и тепловому рассеиванию полупроводниковых приборов догнали физические возможности кремния и пришло время искать ему замену.

В итоге поисков и разработок получили полупроводники на основе нитрида галлия (GaN), которые значительно быстрее и эффективнее передают питание в постоянно растущем множестве высоковольтных приложений. Более высокие коммутационные возможности GaN означают, что приборы на его основе могут эффективнее преобразовывать высокие уровни мощности с меньшим количеством компонентов, как показано на рисунке ниже.

Полупроводники на основе нитрида галлия представляют собой новое поколение систем электропитания и преобразования в приложениях для подачи питания переменного/постоянного тока, и начинают заменять традиционные силовые решения на основе кремния в автомобильной и промышленной электронике и возобновляемой энергетике, 5G телекоммуникационных выпрямителях, серверном оборудовании.

Крупные центры обработки данных, корпоративные серверы и коммутационные центры связи потребляют большое количество электроэнергии. В этих энергосистемах FET обычно размещаются отдельно от их драйверов, поскольку они используют различные производственные технологии и в конечном итоге создают дополнительную паразитную индуктивность. Это, помимо большего форм-фактора, может ограничивать производительность коммутации GaN при высоких скоростях нарастания. С другой стороны, нитрид галлиевый FET от Texas Instruments со встроенным драйвером затвора (такой как LMG3425R030), может минимизировать паразитную индуктивность со скоростью нарастания 150 В/нс, обеспечивая при этом на 66% меньше потерь и большее смягчение электромагнитных помех по сравнению с дискретными GaN FET. 

В центрах обработки данных и серверных «фермах» полевые транзисторы GaN обеспечивают более простые топологии и снижают потери преобразования, упрощая тепловую конструкцию, что приводит к уменьшению размеров радиаторов. Эти устройства обеспечивают вдвое большую удельную мощность по сравнению с лучшими в своем классе кремниевыми полевыми МОП-транзисторами. Такая удельная мощность и эффективность становится особенно важной при рассмотрении долгосрочных перспектив. Также, благодаря удвоенной мощности, они облегчают разработку оборудования, соответствующего стандартам, таким как 80 Plus Titanium, которые требуют очень высокой эффективности блоков питания в серверном и телекоммуникационном оборудовании.

Полевые GaN транзисторы с интегрированной функцией ограничения тока и перегрева могут обеспечить защиту от сквозных пробоев и ситуаций выхода из-под контроля. Кроме того, сигналы системного интерфейса обеспечивают возможность самоконтроля. Надежность - важнейший фактор в силовой электронике. Поэтому по сравнению с традиционными каскадными и автономными FET GaN, высокоинтегрированные нитрид галлиевые устройства могут более эффективно повысить надежность и оптимизировать производительность высоковольтных источников питания за счет совмещения основных функциональных и защитных функций.

Новое семейство промышленных 600-Вольтовых GaN приборов объединяет на одном кристалле GaN FET, драйвер и интерфейс защиты для работы в приложениях от 100 Вт до 10 кВт. Нитрид галлиевые микросхемы LMG3422R030, LMG3425R030, LMG3422R050 и LMG3425R050 от Texas Instruments предназначены для применения в высокомощных и высокоэффективных приложениях. В отличие от кремниевых МОП-транзисторов, GaN проводит в третьем квадранте «диодным» способом и минимизирует время покоя, уменьшая падение напряжения. Идеальный диодный режим в LMG3425R030 и LMG3425R050 дополнительно минимизирует потери при подаче энергии. Эти устройства GaN прошли через 40 миллионов часов тестирования надежности. Испытания на надежность проводились в условиях ускоренного переключения при максимальной мощности, напряжении и температуре.

Устройства GaN существенно отличаются от кремниевых полупроводников. Хотя они могут переключаться быстрее и эффективнее и являются революционной технологией для силовой электроники, но, при всех своих достоинствах, устройства на основе GaN имеют и недостатки. Они требуют сложных процессов и качественных материалов при проектировании, что, в свою очередь, предъявляет повышенные требования к выращиванию кристалла, оптимизации диэлектрических пленок и достижения очень чистых интерфейсов в процессе производства. Всё это сказывается на высокой стоимости материалов для изготовления продукции.

Все вышеуказанные микросхемы, а также множество других силовых интеллектуальных ключей, DC/DC конвертеров и регуляторов напряжения от ведущих производителей Texas Instruments и Analog Devices входят в программу поставок RU Electronics.