Полевые GaN-транзисторы для преобразователей питания: внутренняя структура и моделирование в LTspice

Введение

Современные задачи преобразования энергии требуют от разработчиков создавать источники питания с улучшенным КПД в более компактном размере. Для достижения таких показателей существует несколько путей: оптимизация топологий источников питания, применение цифрового управления, а также использование силовых ключей на новых физических принципах. В частности, силовые ключи, изготовленные на основе широкозонных полупроводников (wide bandgap, ШЗП), имеют ряд преимуществ. Коммерчески доступны транзисторы на следующих ШЗП: карбиде кремния (SiC) и нитриде галлия (GaN).

GaN обладает более высокой подвижностью электронов в сравнении с кремнием и карбидом кремния. Это ключевое свойство позволяет создавать транзисторы с высокими скоростями переключения и, как следствие, проектировать ИП с увеличенными частотами преобразования, используя индуктивные элементы меньшего размера.

Свойства материала GaN и его применение в силовой электронике

На рис. 1 представлена диаграмма сравнения ключевых параметров полупроводниковых материалов для силовой электроники. GaN обладает уникальным набором свойств, позволяющим разогнать носители заряда в канале полевого транзистора и создать силовые ключи с наибольшей скоростью коммутации.

Рис. 1. Сравнение материалов силовой электроники по основным параметрам

Во-первых, нитрид галлия — это полупроводник с широкой запрещенной зоной, сравнимой по величине с запрещенной зоной карбида кремния. Это обстоятельство обеспечивает повышенную по сравнению с обычным кремнием электрическую прочность материала и, соответственно, позволяет увеличивать напряженность поля внутри полупроводника. Во-вторых, при сравнимой с кремнием подвижности электронов m_n GaN имеет дрейфовую скорость насыщения v_s, наивысшую среди рассматриваемых материалов для силовой электроники.

Напомним, что быстродействие полевого транзистора в терминах предельных частот переключения f_T определяется размерами активной области (длиной затвора L_g) и дрейфовой скоростью v_dr электронов в канале:

где v_S — дрейфовая скорость насыщения.

Таким образом, повышение быстродействия достигается минимизацией длины канала L_g транзистора на уровне предельных возможностей литографического процесса либо увеличением дрейфовой скорости электронов. Дрейфовая скорость электронов связана с напряженностью электрического поля E в канале через подвижность носителей заряда m_n (выраженную в см²/(В•с)):

Следовательно, применение GaN позволяет увеличивать дрейфовую скорость электронов при повышении напряженности поля, при этом благодаря широкой запрещенной зоне предельная напряженность поля больше, чем в Si. Дрейфовая скорость насыщения в нитриде галлия наивысшая среди материалов для силовой электроники и превосходит этот параметр кремния в три раза.

Базируясь на физических свойствах, рассмотренных выше, можно представить преимущества широкозонных полупроводников для силовой электроники в таблице.

По оценкам производителей силовых ключей на основе широкозонных полупроводников (например, обзор Onsemi в [2]), GaN-транзисторы должны занять нишу сравнительно маломощных (до 2–3 кВт) преобразователей с высокой частотой (до 10 МГц) и, соответственно, в более компактном размере. Такие свойства будут востребованы в областях ИП общего назначения, а также в преобразователях энергии систем хранения данных (рис. 2).

Рис. 2. Применения силовых ключей на основе широкозонных полупроводников.
Обозначения, ключи на основе материалов:
Si — кремний;
SiC — карбид кремния;
GaN — нитрид галлия;
IGBT — биполярный транзистор с изолированным затвором;
SJ — силовой транзистор с усовершенствованным переходом, super-junction

Внутренняя структура полевого GaN-транзистора и его основные характеристики

Внутренняя структура GaN-транзистора

Современные полевые GaN-транзис­торы — это транзисторы с высокой подвижностью электронов (high electron mobility, HEMT). Такие приборы изготавливаются методом эпитаксиального выращивания на кремниевых и карбидкремниевых подложках. Процессы изготовления на кремниевых подложках являются самыми распространенными благодаря наименьшей стоимости технологии и возможности использования обычных полупроводниковых фабрик.

Пример структуры GaN-транзистора представлен на рис. 3.

Рис. 3. Вертикальный срез латерального полевого GaN-транзистора типа HEMT на кремниевой подложке

Каналом для переноса носителей заряда служит двумерный электронный газ (2DEG) в гетероэпитаксиальной структуре AlGaN/GaN, обедняемый при смещении напряжения в подзатворной области ниже 0 В. Формирование 2DEG происходит благодаря эффектам поляризации на границе раздела структур AlGaN/GaN. Концентрация носителей (электронов) зависит от напряжения на затворе таких полевых структур. Компании GaN Systems и EPC производят транзисторы с напряжением отпирания канала 2 В и выше, что близко по параметрам к традиционным транзисторам на кремнии.

Основные характеристики и свойства: добротность (FOM) и скорость переключения

Производители транзисторов используют следующий показатель добротности (FOM, figure of merit) своих приборов: произведение величины заряда затвора, необходимого для отпирания канала (Q_g), и сопротивления открытого канала (R_ds):

Полевые GaN-транзисторы значительно превосходят по параметру FOM аналогичные (со сравнимым сопротивлением канала) транзисторы на кремнии (сравнение FOM для 100-В транзисторов на рис. 4). При этом преимущество достигается в связи с уменьшенным значением величины заряда Q_g. Благодаря улучшенному значению суммарного заряда полевые GaN-транзисторы имеют в целом предпочтительные скорости переключения.

Рис. 4. Сравнение параметра добротности для различных типов 100-В транзисторов (BSC098N10NS5, BSC040N10NS5 и FDMS86202 — на основе традиционного кремния, GS61008P, EPC2204 и EPC2218 — на GaN)

Основные характеристики и свойства: обратная проводимость и обратное восстановление

Основным свойством полевых GaN-транзисторов является особое поведение при обратном напряжении. В случае отключения канала (V_gs = 0 В) и подключенной индуктивной нагрузки возможно образование отрицательного падения напряжения V_DS. Физически это падение напряжения линейно распределяется в толще GaN и вероятно появление положительного смещения между затвором и подзатворной областью с 2DEG. При этом при отпирании канала он начнет проводить пропорционально падению напряжения V_DS. Соответственно, учет всех составляющих напряжений открытого канала выглядит следующим образом:

где D — падение напряжения между затворным электродом и зоной 2DEG; V_th — граничное напряжение отпирания канала; I — ток через канал; R_DS — сопротивление канала.

Обычно образующиеся напряжения выше падения на диоде (как, например, для обратного диода у силовых MOSFET-транзисторов), что становится причиной повышенных потерь при переключении. Эти потери, однако, можно компенсировать более высокими скоростями переключения.

В связи с тем, что полевые GaN-транзис­торы — это полупроводниковые приборы на основных носителях без паразитного обратного диода (body-diode), в них отсутствует обратное восстановление. Как видно из представленного графика от компании GaN Systems (рис. 5), у нитрид-галлиевых транзисторов практически нет зоны отрицательного тока после запирания. Возможные колебания зависят от паразитных выходной емкости (C_O) и индуктивностей на контактах с полупроводниковой структурой.

Рис. 5. Поведение силовых приборов при обратном восстановлении

Особые характеристики полевого GaN-транзистора с точки зрения обратной проводимости и обратного восстановления позволяют успешно разрабатывать мостовые схемы коммутации с высокой скоростью нарастания напряжения (или с жесткой коммутацией, hard-switching).

Описание Spice-модели полевого GaN-транзистора

На рис. 6 представлена эквивалентная схема Spice-модели полевого GaN-транзистора, которая состоит из источника тока, управляемого напряжением, I_d = f(V_ds, V_gs, T). Дополнительно в модели учитываются паразитные емкости (между затвором и стоком, затвором и истоком, а также между истоком и стоком), зависящие от напряжения. Представленная на рис. 6 модель используется GaN Systems, инженеры которой учитывают токи утечки затвора. При этом компания EPC в свою модель такие эффекты не добавляет [6].

Рис. 6. Эквивалентная схема SPICE-модели полевого GaN-транзистора

Сравнение LTspice-расчетов ВАХ транзистора GS61008P (производства GaN Systems) с данными из документации представлено на рис. 7, где видно хорошее согласование модели и эксперимента.

Рис. 7. Сравнение ВАХ транзистора GS610008P:
для температуры перехода Tj = +25 °C, данные из документации представлены на графике а),
расчет в LTspice — на графике б);
для Tj = +125 °C, данные из документации представлены на графике в),
расчет в LTspice – на графике г).

Примеры расчетов в LTspice динамических характеристик и энергии переключения

Динамические характеристики обычно исследуются в схеме двойного пульса (рис. 8), в которой тестируемый транзистор сначала открывается на такой интервал времени, чтобы ток в индуктивности возрос до требуемого уровня. После этого транзистор закрывается (исследуется переходный процесс запирания транзистора). Ток циркулирует через диод верхнего плеча, и через небольшой интервал времени транзистор открывается вновь. При этом ток остается на примерно таком же уровне, как и при запирании. Таким образом, в этой схеме можно исследовать переходные процессы запирания и отпирания транзистора при одинаковом коммутируемом токе.

Рис. 8. Схема двойного пульса для исследования динамических характеристик переключения транзистора

LTspice позволяет провести расчет энергии переключения. Для этого необходимо в плоттере отобразить осциллограмму произведения V_ds × I_d (P_sw, мощность при переключении), а затем воспользоваться инструментом интегрирования (правая кнопка мыши). Пример расчетов для транзистора GS66508T [7] представлен на рис. 9.

Рис. 9. Примеры расчетов в LTspice переходных процессов транзистора GS66508T. Vds = 400 В, Id = 30 A:
a) запирание;
б) отпирание

Точность расчета суммарных коммутаций хорошо согласуется с экспериментом (рис. 10).

Рис. 10. Сопоставление суммарных потерь — расчетных (в LTspice) и измеренных в эксперименте для транзистора GS66508T. Vds = 400 В

Заключение

В статье рассмотрены основные характеристики коммерчески доступных низковольтных (до 100 В) GaN-транзисторов, которые имеют хорошую перспективу для включения в новые дизайны ИП промежуточных напряжений. В ближайшие годы подобные решения будут востребованы в таких областях, как телекоммуникационное оборудование, электрический транспорт, радиопередающие системы. В каждой из областей требуются компактные ИП с высоким КПД преобразования: эти параметры ожидаются значительно лучше у конвертеров на GaN-транзисторах по сравнению с традиционными решениями на кремнии. Оценить характеристики новых нитрид-галлиевых ключей можно уже сейчас на основе предлагаемых производителями моделей для SPICE-симуляторов.