مزايا وتحديات تطوير GaN Power IC

لقد تم اعتماد أجهزة طاقة نيتريد الغاليوم في شكل منفصل على نطاق واسع في مجال تطبيقات شاحن الطاقة. إن المزايا العديدة للمواد والأجهزة التي يتميز بها ترانزستور الإلكترون عالي الحركة (HEMT) من GaN في تطبيقات تحويل الطاقة تدفع أيضًا إلى استخدامه في تحويل الطاقة لتطبيقات متنوعة، مثل مراكز البيانات والطاقة المتجددة والمركبات الكهربائية.

في هذه المقالة، سوف نستكشف بعض المزايا والتحديات التي تواجه إنشاء دوائر متكاملة للطاقة GaN (ICs). يستند هذا المقال إلى ندوة عبر الإنترنت قدمها أوليفييه تريسكاس، الأستاذ بجامعة تورنتو، في سلسلة الندوات عبر الإنترنت لخريطة طريق تقنية الطاقة PSMA في 2 نوفمبر 2023.

الدافع لإنشاء الدوائر المتكاملة للطاقة GaN

تستخدم الدوائر المتكاملة لإدارة الطاقة القائمة على السيليكون (PMICs) على نطاق واسع. تقدم العديد من المسابك الآن تقنيات المعالجة المتكاملة ثنائية القطب CMOS-DMOS (BCD)، والتي تشمل أجهزة CMOS ذات الجهد المنخفض مع الحد الأدنى لأطوال البوابة حوالي 90 نانومتر أو أقل وأجهزة DMOS التي تم تصنيفها لأكثر من 600 فولت. 125 كجم/مم² يمكن تحقيقها على هذه العقد العملية. يسمح التكامل بمراقبة الأخطاء، ومحرك البوابة، والتحكم في الحلقة المغلقة باستخدام دوائر تناظرية دقيقة، كل ذلك في قالب واحد. إن المطابقة الممتازة للأجهزة، وتوافر مجموعة واسعة من الأجهزة السلبية (المقاومات، والمكثفات، والمحاثات)، والتشذيب القائم على الذاكرة غير المتطايرة، وإنتاجية العمليات العالية، وPDKs الناضجة مع النماذج الإحصائية والزاوية، كلها ساعدت في تطوير واستخدام هذه Si- PMICs القائمة في العديد من التطبيقات، بما في ذلك السيارات.

يقدم GaN العديد من المزايا مقارنة بالسيليكون في تحويل الطاقة. يؤدي انخفاض خسائر التوصيل والتبديل والقدرة على العمل بترددات تحويل عالية إلى مزايا على مستوى النظام في كفاءة تحويل الطاقة، وتحسين كثافات الطاقة وطوبولوجيا المحولات الأبسط. يظهر مثال على ذلك في الشكل 1. هنا، تتم مقارنة المقاومة المحددة لأجهزة 650-V Si LDMOS المستخدمة في عملية BCD، وأجهزة CoolMOS الفائقة 600-V وأجهزة GaN HEMT 650-V. يمكن أن يُترجم تمثيل مساحة المربعات في الشكل 1 تقريبًا إلى تحسينات مكافئة لمنطقة القالب لجزء DMOS من قالب Si BCD إذا تم استبداله بـ GaN.

يعد GaN HEMT، باعتباره جهازًا جانبيًا، أيضًا مرشحًا طبيعيًا لتكامل الجهاز. الهدف هو الاستفادة من مزايا GaN العديدة في الدوائر المتكاملة، مع مستوى التكامل والأداء الذي تم تحقيقه مع Si BCDs الذي يوفر منارة تحفيزية. مثال على التطبيق الذي يمكن أن يستفيد من تكامل GaN المتجانس هذا هو محول متعدد المستويات لمكثف طائر ذو سبعة مستويات¹ للاستخدام في الكيمياء المتعددة (على سبيل المثال، الجمع بين LFP وNMC) حزم بطاريات EV (MCB). استخدم النموذج الأولي لمحول التيار المستمر من 400 إلى 150 فولت الذي تم إنشاؤه في هذا العمل التحكم في الحلقة المغلقة القائمة على معالجة الطاقة التفاضلية لتحسين مزيج الطاقة داخل حزمة MCB.

التحديات مع التكامل GaN IC

هناك العديد من العقبات التي يجب التغلب عليها لإنشاء دوائر طاقة GaN، بما في ذلك ما يلي:

• يتميز وضع التحسين (الوضع الإلكتروني) HEMT بجهد عتبة نموذجي (V_ذ) 1.7 فولت والحد الأقصى لجهد البوابة (V_ع) تقييمات من 6 إلى 7 فولت. وهذا يؤدي إلى قيود في الضوضاء وهامش السرعة الزائدة عند بوابة الجهاز. في حين أن تصنيفات الجهد الزائد للاستنزاف العابر تتجاوز عادةً التصنيفات التشغيلية بهامش كبير، فإن الافتقار إلى القدرة على الانهيار الجليدي في جهاز HEMT أحادي القطب يثير تساؤلات حول الضغط الاستقرائي غير المثبت بالجهاز وقوة الدائرة القصيرة. تتمتع وحدات Si وSiC MOSFET عادةً بتصنيف أكثر قوة لسرعة البوابة (بحد أقصى V_ع ~ 20 فولت). أعلى V_ذ يجعل دوائر محرك البوابة أسهل والتي يمكن أن تكون أحادية القطب (أي لا تحتاج إلى محرك سلبي لإيقاف تشغيل الجهاز). من الخصائص الأخرى للوضع الإلكتروني HEMT هو تسرب البوابة الأعلى بكثير (I_ع) مقارنة مع Si و SiC MOSFETs. هذا ارتفاع أنا_ع، والتي يمكن أن تكون في حدود 1 μA/mm عند V_ع 5 فولت، يؤثر سلبًا على أداء العديد من الدوائر التناظرية التي تتطلب العينة والثبات.
• إن عدم وجود جهاز PMOS HEMT قابل للحياة يضع تكامل GaN power IC في وضع غير مؤاتٍ جدًا مقارنةً بـ Si CMOS. لقد سمح CMOS منخفض التسرب بتحقيق مستويات عالية من التكامل المنطقي منخفض الجهد بأطوال البوابة الصغيرة. يمكن إنشاء دوائر منطقية تعتمد على منطق الترانزستور المقاوم (RTL) باستخدام HEMTs ذات الوضع الإلكتروني أو منطق FET المزدوج المباشر (DCFL) مع استخدام الوضع الإلكتروني وعادةً في وضع الاستنفاد (الوضع d) يمكن إنشاء HEMTs. ومع ذلك، فإنها تعاني من تسرب أعلى بكثير من منطق CMOS.
• يتخلف مستوى الطباعة الحجرية لـ GaN HEMTs بحوالي 20 عامًا عن المستوى المتوفر حاليًا مع CMOS منخفض الجهد ضمن تدفق عملية Si BCD (حوالي 1 ميكرومتر مقابل 90 نانومتر). وهذا يجعل دوائر المنطق والتحكم أكبر بكثير وينفي إلى حد ما مزايا الحجم في الجزء عالي الجهد من القالب المدمج.
• لا تزال البنية التحتية للنمذجة/PDK اللازمة لإنشاء دوائر متكاملة معقدة في مهدها في النظام البيئي لتصميم طاقة GaN.
• يؤدي عدم وجود مقاوم متكامل ذو مقاومة عالية النوعية أيضًا إلى عيوب الحجم. يتم استخدام قناة GaN HEMT لغاز الإلكترون ثنائي الأبعاد ذات المقاومة المنخفضة نسبيًا (2DEG) للمقاوم.
• يعد استقرار العملية ومطابقتها من المخاوف، خاصة بالنسبة لدوائر القياس مثل المرايا الحالية ودوائر الاستشعار. يتمتع Si BCD بعقود من الخبرة في تحسين التصميم وتدفقات العمليات لتحقيق التوحيد والتكرار الممتاز، مما يجعل الحياة أسهل للمصممين.
• يعد العائد والتكلفة من المقاييس المهمة حيث يتخلف GaN. هذه هي المفتاح للتصنيع على نطاق واسع. تم إجراء تحسينات كبيرة في الجودة من خلال تدفق عملية GaN-on-Si، وتم تكثيف التصنيع مقاس 8 بوصات، مما يمكن أن يؤدي إلى خفض التكاليف وتحقيق دورات تعلم أسرع.

مستويات التكامل

يمكن إجراء العديد من مستويات التكامل، حيث يتم في الأساس استبدال الميزات والوظائف المتزايدة بتعقيد العملية والتكامل. ويصور الشكل 2 مخططا يوضح هذه المستويات المختلفة:

• يدمج المستويان 0 و1 تغيير المستوى وقيادة البوابة. يمكن تحقيق محاثات أقل للبوابة وحلقة الطاقة، مما يحسن أداء التحويل.
• يضيف المستوى 2 استشعارًا على الرقاقة للتيار والجهد ودرجة الحرارة. وهذا يزيد من الاستجابة الديناميكية لظروف الخطأ والمتانة.
• يدمج المستويان 3 و4 التحكم الكامل في الحلقة المغلقة مع توليد PWM وتشخيصات الحالة الصحية المتقدمة.

تم اعتماد المستويين 1 و2 من قبل بعض الشركات المصنعة لشبكة GaN للطاقة، في حين أن المستويين 3 و4 هما في الغالب في مراحل البحث والتطوير.

طرق وأمثلة لتكامل GaN IC

الشكل 3 يصور طريقتين لتكامل الطاقة GaN IC. يعتمد GaN-A (يسار) على تدفق عملية GaN-on-Si HEMT القياسي المستخدم لأجهزة GaN ذات الطاقة المنفصلة. يتيح الجمع بين e-HEMT وd-HEMT، إلى جانب مقاومات 2DEG والمكثفات المعدنية العازلة، دمج منطق DCFL مع أجهزة e-HEMT عالية الجهد. يستخدم GaN-B (يمين) تدفق عملية GaN-on-SOI. يتم تحقيق العزل بين أجهزة GaN والركيزة Si، وكذلك بين الأجهزة التي تستخدم عزل الخندق. يمكن دمج RTL مع الأجهزة المنطقية HEMT ذات الوضع الإلكتروني والمقاومات والمكثفات التي تم إنشاؤها بشكل مشابه لتدفق GaN-A، بالإضافة إلى أجهزة GaN ذات الوضع الإلكتروني ذات الجهد العالي.

بعض عيوب استهلاك الطاقة المنطقية لأي من طرق التكامل هذه مقابل Si BCD مع CMOS موضحة في الشكل 4. تتم مقارنة أداء مذبذب الحلقة بين GaN-A DCFL وGaN-B RTL وCMOS. تم تشغيل تدفقات GaN-A وGaN-B في مسابك مختلفة. في حين تم تصميم محولات GaN-A وGaN-B لاستهداف تأخير البوابة نفسه، كان عرض e-HEMT منخفض الجانب لـ DCFL أكبر بمقدار 3 مرات من عرض دائرة RTL، مما أدى إلى استهلاك طاقة أعلى نسبيًا. تُظهر كلتا دائرتي GaN استهلاكًا للطاقة / المرحلة أعلى على الأقل من حيث الحجم مقارنةً بـ CMOS لتأخيرات البوابة المماثلة.

أحد الأمثلة المثيرة للاهتمام على تكامل GaN IC الذي حققته مجموعة Trescases في جامعة تورنتو هو تكامل دائرة كشف التيار الزائد مع الطاقة HEMT.² استخدمت هذه الدائرة SenseHEMT لاستشعار التيار، ومشغل بوابة قائم على عمود الطوطم، ومجموعة من الدوائر المنطقية لتحقيق حماية التيار الزائد ذات الحلقة المغلقة (OCP). يعد اكتشاف الأخطاء، مثل OCP، أمرًا بالغ الأهمية لأجهزة GaN سريعة التبديل والتي يمكن أن يكون لها جهد زائد ضعيف وتحمل التيار الزائد. في حين أنه يمكن إجراء هذا التكامل أيضًا في نهج ثنائي القالب معبأ بشكل مشترك مع قالب Si BCD، فإن التكامل المتجانس يساعد في تقليل وقت استجابة الحماية. وفي الوقت نفسه، يتم تحقيق كفاءة المنطقة جنبًا إلى جنب مع عملية التجميع الأسهل.

تم تنفيذ دائرة OCP، الموضحة في الشكل 5، على عملية GaN-on-SOI بقدرة 200 فولت. ويتميز بحد تيار قابل للتعديل ووقت تقطيع قابل للبرمجة.

تظهر الأشكال الموجية المقاسة من اختبار التبديل الحثي أحادي النبض في الشكل 6. ويتم تحقيق وقت استجابة قدره 33 ns. يعد هذا واحدًا من أسرع أوقات استجابة دائرة OCP التي تم تحقيقها باستخدام أجهزة طاقة GaN.

يواجه تكامل GaN العديد من التحديات. يمكن أن يكون المستوى الحالي للتكامل محدودًا بعدة عوامل، مثل التسرب، واستقرار العملية، والتكلفة، والإنتاجية، وعدم وجود نظام بيئي PDK/نمذجة متطور بالكامل. مستويات الطباعة الحجرية حاليًا أعلى بكثير من Si CMOS. تشمل الإنجازات الرئيسية التي يمكن أن تساعد في تسريع تطوير GaN PMIC إنشاء جهاز PMOS قابل للحياة ومقاوم ذو مقاومة أعلى. وكما هو مبين في الشكل 7، من المتوقع أن يكون تكامل المستوى الأول سائدًا لمستويات الطاقة التي تبلغ حوالي 10 كيلووات أو أعلى لتطبيقات مثل مراكز البيانات والمركبات الكهربائية. ومع تحقيق استقرار العملية وتحسينات الإنتاجية، يمكن رؤية اعتماد أكبر لتكامل المستوى 2 و3 في نطاق أقل من 1 كيلووات، وهو مفيد لمحولات الطاقة.

مراجع

¹وانغ وآخرون. (2023). “محول متعدد المستويات بمكثف طيران ذو سبعة مستويات لواجهة معالجة الطاقة التفاضلية في حزم بطاريات EV متعددة الكيمياء.” مؤتمر ومعرض إلكترونيات الطاقة التطبيقية IEEE لعام 2023 (APEC)، الصفحات من 1 إلى 8.

²جيانغ وآخرون. (2022). “دائرة حماية التيار الزائد المدمجة من GaN لوحدات الطاقة HEMT باستخدام SenseHEMT.” معاملات IEEE على إلكترونيات الطاقة، 37(8)، الصفحات من 9314 إلى 9324.

تفضل بزيارة الكتاب الإلكتروني للحصول على المقالة كاملة

تم نشر مزايا وتحديات تطوير GaN Power IC لأول مرة على Power Electronics News.