استخدام GaN HEMT في تحويل الطاقة

نيتريد الغاليوم (GaN) عبارة عن أشباه موصلات ذات فجوة نطاق واسعة من النوع III-V والتي شهدت اعتمادًا متزايدًا في تطبيقات تحويل الطاقة نظرًا لخصائص المواد والجهاز الفائقة عند استخدامها كترانزستور جانبي عالي الحركة للإلكترون (HEMT).

مجال الانهيار العالي (3.3 MV / cm ) وحركة حاملة غاز الإلكترون عالية ثنائية الأبعاد (2DEG) التي تم إنشاؤها في HEMT (2000 سم²/Vs) لتمكين المقاومة المحددة المنخفضة (R_{DS (على)}). وهذا بدوره يتيح للأجهزة الأصغر ذات السعات المنخفضة وبالتالي تقليل الخسائر و/أو ترددات التحويل الأعلى، مما قد يؤدي إلى مزايا تكلفة النظام وحجمه وكفاءته. في هذه المقالة، سنناقش خيارات استخدام جهاز GaN HEMT الشائعة ونسلط الضوء على بعض المزايا في استخدام وضع الاستنفاد (وضع d) HEMT في تطبيقات تحويل الطاقة العالية.

أنواع GaN HEMT

كما هو موضح في الشكل 1، يتكون GaN HEMT من ترابط متغاير من نيتريد الغاليوم الألومنيوم (AlGaN) الموجود فوق طبقة قناة GaN. يؤدي تأثير الاستقطاب في الوصلة غير المتجانسة بشكل طبيعي إلى تكوين 2DEG في القناة. يتم تشغيل هذا الجهاز بشكل جوهري مع تطبيق جهد صفر على البوابة، ومن هنا جاء مصطلح “وضع الاستنفاد”. في إلكترونيات الطاقة، يُفضل أن تكون أجهزة التبديل عادةً خارج أجهزة وضع التحسين (الوضع الإلكتروني) من أجل السلامة وتصميم نظام أبسط.

تمت تجربة طرق مختلفة لتحويل جهاز الوضع d إلى الوضع الإلكتروني من خلال التعديلات داخل البوابة أو حولها. النهج الذي تستخدمه العديد من الشركات هو إضافة طبقة p-GaN (كما هو موضح في الشكل 2) بين البوابة المعدنية وطبقة AlGaN. يؤدي ذلك إلى رفع نطاق التوصيل فوق مستوى فيرمي ويجعل الجهاز في الوضع الإلكتروني، مع جهد عتبة (V_ر) عادةً في نطاق 1.4 إلى 1.7 فولت. هنا، يمكن إجراء تصنيف فرعي على نوع الاتصال بالبوابة المعدنية، كما هو موضح في الشكل 2. يخفض اتصال شوتكي تيار البوابة (I_ع) عند تشغيل البوابة وتحسين جهد البوابة (V_ع) النطاق التشغيلي قليلاً، على الرغم من وجود عيوب محتملة في الموثوقية، كما سيتم مناقشته لاحقًا.

16.10.2023

13.10.2023

10.05.2023

يمكن ترميز جهاز الوضع d بجهاز MOSFET من السيليكون منخفض الجهد (LV Si)، كما هو موضح في الشكل 3. وهذا يسمح بجهد V أعلى بكثير_ر (> 2.5 فولت) للتشغيل، مما يسمح باستخدام محركات البوابة في إلكترونيات الطاقة التقليدية Si.

توجد العديد من الاختلافات الفرعية ضمن الفئات المذكورة أعلاه فيما يتعلق بآلية محرك HEMT ويتم تسليط الضوء عليها في الجدول 1.

سنركز الآن على بعض المزايا الرئيسية لنهج الوضع d لرمز الكاسود مقابل نهج الوضع الإلكتروني في تطبيقات تحويل الطاقة. تم تلخيص بعض هذه الأمور في تقرير تقني نشرته شركة Transphorm، الشركة المصنعة لأجهزة GaN cascode.

مزايا Cascode D-mode GaN HEMT

• انخفاض ر_{DS (على)}. يمكن أن تساهم عوامل متعددة في حصول جهاز الوضع الإلكتروني على رقم جدارة أسوأ من جهاز cascode:
  • تحتاج كثافة الشحن 2DEG في جهاز الوضع الإلكتروني عمومًا إلى تقليلها لتحقيق قيمة V معينة_ر. كما هو مبين في الشكل 4، يؤدي هذا إلى مقاومة أعلى للورقة بمقدار 2DEG.
  • الحد الأقصى لنطاق جهد البوابة الأدنى (V_ع-ماكس) من أجهزة الوضع الإلكتروني يمكن أن يؤدي إلى عدم تحقيق القناة انعكاسًا كاملاً. تتحكم بنية cascode في التشغيل من LV Si MOSFET الذي يمكن عادةً دفعه إلى مستوى عالٍ (20 فولت) V_ع، مع V_ع على وضع D GaN بالقرب من 0 فولت وبالتالي الحفاظ على الجهاز قيد التشغيل بالكامل.
  • معامل درجة الحرارة R_{DS (على)} أعلى في جهاز الوضع الإلكتروني. أحد العوامل المهمة التي تساهم في ذلك هو التخفيض القوي في توصيل جهاز الوضع الإلكتروني p-GaN مع درجة الحرارة، كما هو موضح في الشكل 5. في بنية رمز الكاسر، يتمتع جهاز LV Si CMOS بتحكم أكبر في خصائص توصيل الجهاز و لا يظهر نفس المستوى من الاعتماد على درجة الحرارة. تمت ملاحظة ما يصل إلى 50% من درجات حرارة الحالة المنخفضة وكفاءة تحويل الطاقة المحسنة في بنية cascode في مقارنات وجهاً لوجه مع جهاز الوضع الإلكتروني.

• ديناميكي ر_{DS (على)}. يمكن لمتغير حاجز شوتكي لأجهزة بوابة p-GaN أن يخلق مشكلات عتبة ديناميكية نظرًا لأنه يعيق تفريغ سعة استنزاف البوابة (C_gd) أثناء انتقال التشغيل.³ وهذا بدوره يمكن أن يسبب ديناميكية R_{DS (على)} مشاكل. عند جهد تصريف يبلغ 480 فولت، يمكن لبوابة p-GaN Schottky ذات الوضع الإلكتروني GaN HEMT إظهار R ديناميكي_{DS (على)} زيادة قدرها 27% مقارنة مع التغير 5% لجهاز الكاسكود. يؤدي هذا إلى خسائر توصيل أكبر في جهاز الوضع الإلكتروني، كما هو موضح في الشكل 6. عدم استقرار V_ر بسبب صعوبة تفريغ C_gd يمكن أن يساهم أيضًا في زيادة خسائر التبديل في جهاز الوضع الإلكتروني.

• متطلبات محرك البوابة السلبية. المنخفض V_ر من أجهزة الوضع الإلكتروني يمكن أن تتطلب قيمة V سالبة_ع عند إيقاف التشغيل. يمكن أن يخلق هذا تعقيدًا إضافيًا لدائرة تشغيل البوابة ويزيد من خسائر الوقت الميت. في وضع توصيل المصدر والصرف العكسي، يجب أن يتغلب التيار على محرك البوابة السالب وبالتالي يؤدي إلى زيادة الخسارة.
• مصداقية. يعمل جهاز الوضع الإلكتروني لبوابة Schottky diode p-GaN بمثابة صمام ثنائي من الخلف إلى الخلف (انظر الشكل 2). في الواقع، يمكن أن يخلق هذا مشاكل موثوقية في ظل ظروف الجهد الزائد للبوابة. تحت إيجابية قوية V_ع، صمام ثنائي شوتكي متحيز عكسيًا، مما يسبب الخامس_ع > الخامس_ر ليتم إسقاطها عبر طبقة استنفاد p-GaN بالقرب من الواجهة المعدنية. يمكن للمجالات الكهربائية العالية أن تخلق مسارات ترشيح وتسرب. يمكن أيضًا أن ينتج فشل الجهاز المعتمد على الوقت عن حقن الإلكترون من القناة إلى p-GaN، مما يؤدي إلى انهيار جليدي، أو من توليد المصيدة في واجهة p-GaN/AlGaN. يمكن أيضًا أن تزيد خشونة الجدران الجانبية p-GaN من التسرب. حقن الثقب من المعدن في طبقة p-GaN عند مستوى V مرتفع_ع يمكن أن تتراكم في واجهة p-GaN/AlGaN وتؤدي إلى انخفاض مستوى الجهاز V_ر.⁴
• ماكس ف_س قيود: يجب أن تكون الركيزة Si الخاصة بجهاز الوضع الإلكتروني متصلة بالمحطة المصدر للتخفيف من شحن الطبقة العازلة الناتج عن حقن الإلكترون من المصدر. يمكن أن يؤدي ذلك إلى تقييد الحد الأقصى لتصنيف جهد مصدر التصريف للجهاز إلى حوالي 650 فولت، حيث يلزم وجود مخزن مؤقت أكثر سمكًا عند الفولتية الأعلى. لقد تم عرض أجهزة Cascode عند معدلات جهد أعلى وفي مفاتيح ثنائية الاتجاه.⁵

من خلال التكامل الأكبر لجهاز الوضع الإلكتروني مع دوائر الأمان والاستشعار، يمكن لمشغل البوابة نفسه أن يجعل جهاز الوضع الإلكتروني أكثر قوة في التطبيق. ومع ذلك، فإن مزايا GaN HEMT الجوهرية في وضع d تجعلها قادرة على التنافس مع مساحة الجهد العالي للطاقة التي تهيمن عليها حاليًا تقنية كربيد السيليكون بسهولة أكبر. أثبتت Transphorm أداءً عاليًا وتحويلًا قويًا للطاقة على تقنية GaN cascode الخاصة بها ذات الوضع D مع الحزم القياسية التي يمكن تشغيلها باستخدام برامج تشغيل البوابة القياسية.

مراجع

¹بورغيزي وآخرون. (2021). “تيار البوابة في أجهزة HEMTs لبوابة p-GaN كمعلمة حساسة لدرجة حرارة القناة: دراسة مقارنة بين أجهزة GaN HEMTs لبوابة شوتكي وأوميك.” الطاقات، 14(23)، 8055.

²روكافورتي وآخرون. (2019). “نظرة عامة على ترانزستورات التنقل عالية الإلكترون المعتمدة على GaN والتي تكون في وضع غير طبيعي.” المواد، ١٢(١٠)، ١٥٩٩.

³مينيجيني وآخرون. (2017). “التكنولوجيا والموثوقية لـ GaN HEMTs التي تكون خارج الخدمة بشكل طبيعي مع بوابة من النوع p.” الطاقات، 10(2)، 153.

⁴هوبر، ج.، وكولار، ج. (2023). “ترانزستورات الطاقة ثنائية الاتجاه متجانسة.” مجلة IEEE للإلكترونيات، 10(1)، الصفحات من 28 إلى 38.

حصل سونو دارياناني على درجة الدكتوراه. حصل على درجة الدكتوراه في هندسة الإلكترونيات عام 1993 من جامعة برادفورد، إنجلترا أثناء إجراء بحث في AT&T Bell Labs، نيوجيرسي حول الإلكترونيات الضوئية GaAs. على مدار الـ 25 عامًا الماضية، كان مهندسًا لتكامل الأجهزة/العمليات في شركة Microchip Technology، من الألف إلى الياء، وكان يعمل على وحدات التحكم الدقيقة والأجهزة المنفصلة. وهو الآن مستشار وكاتب في PowerElectronics News. يمكن الوصول إليه على sldaryanani@gmail.com