Resumo:

Com a miniaturização e a redução de peso dos dispositivos eletrônicos de potência, as características dos dispositivos semicondutores de gap de banda larga GaET FETs superiores aos dispositivos de Si atraíram ampla atenção no campo da eletrônica de potência. No desenvolvimento de GaN FETs, sua estrutura e acionamento são essenciais para suas aplicações de segurança. Em primeiro lugar, apresenta a estrutura principal atual, o princípio de funcionamento e o status do produto dos dispositivos GaN FET; em segundo lugar, resume o método de isolamento de seu circuito de acionamento, a estrutura e o princípio do circuito de acionamento discreto comumente usado e do circuito de acionamento integrado; A aplicação do FET no campo da eletrônica de potência é resumida.

Formato de citação em chinês: Wu Wenjun, Lan Xuemei.Uma revisão da estrutura, condução e aplicação dos GaN FETs. Application of Electronic Technology, 2020, 46 (1): 22-29, 38.

Formato de cotação em inglês: Wu Wenjun, Lan Xuemei - Visão geral sobre a estrutura GaN FET, direção e sua aplicação - Application of Electronic Technique, 2020, 46 (1): 22-29, 38.

00 introdução

O nitreto de gálio (GaN) é o material semicondutor de banda larga de terceira geração, e seus dispositivos semicondutores têm melhores características do que os dispositivos semicondutores baseados em Si em aplicações de alta temperatura, alta pressão, alta frequência e outras.Portanto, é bem recebido no campo de aplicação da eletrônica de potência Atenção.

O dispositivo de energia GaN FET feito de material GaN tem uma baixa tensão de ruptura, uma tensão de limiar baixa, uma carga de porta baixa Qg, uma alta frequência de comutação e uma pequena resistência. As características superiores do GaN FET têm um ótimo relacionamento com a estrutura do dispositivo. No entanto, suas deficiências não podem ser ignoradas e seu desempenho é muito óbvio em aplicações de alta frequência. Por exemplo, é extremamente sensível a parâmetros parasitários. Quando é usada alta frequência, é fácil fazer com que a tensão do portão oscile, resultando em sobretensão no portão, resultando em operação instável do dispositivo. Nem seguro. Portanto, em comparação com o circuito tradicional de condução de dispositivos semicondutores baseados em Si, os requisitos de condução do GaN FET são mais rigorosos. O progresso dos FETs GaN e o desenvolvimento de aplicações estão intimamente ligados à sua estrutura de dispositivos e circuito de acionamento, portanto, a pesquisa sobre sua estrutura de dispositivos e circuito de acionamento é muito significativa. Este artigo analisará a atual estrutura de dispositivos GaN FET nacionais e estrangeiros, o circuito de acionamento e sua aplicação em acionamentos de motores, acionamentos por LED, inversores fotovoltaicos, POL e outras ocasiões.

1 Estrutura do dispositivo GaN FET e princípio de funcionamento

As estruturas dos dispositivos GaN FET atualmente incluem principalmente o modo de depleção (modo D) e o modo de aprimoramento (modo de aprimoramento, modo E). O GaN FET aprimorado é dividido em GaN único e GaN em cascata (fonte comum de porta comum).

1.1 GaN FET no modo de depleção

A estrutura do dispositivo de um GaN FET no modo de depleção é mostrada na Figura 1. O GaN FET no modo de depleção usa material Si como substrato do GaN FET, e uma camada de cristal GaN de alta resistência, ou seja, uma camada de canal de nitreto de gálio (canal GaN), é cultivada no substrato de Si. Geralmente, uma camada isolante de nitreto de alumínio (AIN) é adicionada entre a camada GaN e a camada de substrato Si como uma camada tampão de nitreto de gálio (tampão GaN) para isolar o dispositivo do substrato. A camada AlGaN existe entre a camada GaN e a porta (G), fonte (S) e dreno (D); entre a camada AlGaN e a camada GaN pode produzir gás elétron bidimensional com alta mobilidade eletrônica e características de baixa resistência ( Gás de elétron bidimensional (2DEG), e sua concentração aumenta linearmente com a espessura de AlGaN primeiro e, em seguida, atinge a saturação.

Diferentemente dos dispositivos tradicionais de Si, os FETs GaN de modo de depleção podem formar canais condutores 2DEG de alta concentração em suas interfaces através de polarização espontânea e efeitos de polarização piezoelétrica devido ao efeito de polarização extremamente forte do nitreto. Na tensão de porta zero, o dispositivo está em um estado condutor. Portanto, muitas vezes é necessário desligar a pressão negativa. Os FETs GaN do modo de depleção diferem dos MOSFETs de Si, pois não há região bipolar parasitária do tipo P conectada ao polo S sob o portão, portanto, não há diodo corporal parasita, portanto o dispositivo apresenta baixas perdas de comutação e características de condução simétricas. Portanto, o GaN FET pode ser acionado pela tensão positiva da fonte da porta VGS ou pela tensão positiva de drenagem da porta VGD.

1.2 FET GaN aprimorado

Para FETs GaN do modo de depleção, para desligar o dispositivo, uma tensão de porta negativa deve ser aplicada. Isso significa que, uma vez que haja um GaN FET no modo de depleção no circuito, ele aumentará a complexidade do projeto do acionamento de gateways e é propenso a enganos, o que tem a potencial ameaça de passagem direta e reduz a estabilidade e a segurança do circuito. O tipo de aprimoramento GaN FET é, pelo contrário, ativado somente quando for aplicado viés positivo, o que reduz a complexidade do circuito e possui melhor estabilidade e segurança. Atualmente, o modo de aprimoramento GaN FET é aprimorado principalmente com base na estrutura do transistor de alta mobilidade eletrônica de modo de depleção (transistor de alta mobilidade eletrônica de nitreto de gálio, GaN HEMT). Atualmente, os principais esquemas de estrutura GaN FET de aprimoramento incluem: portão tipo P, portão ranhurado, estrutura Cascode, etc.

1.2.1 Estrutura do portão tipo P

Existem muitos estudiosos trabalhando em GaN FETs com estrutura P-gate, como mostra a Figura 2. Diferente do modo de depleção, a estrutura do portão do tipo P é um portão GaN do tipo P carregado positivamente, crescido na camada de barreira AlGaN, como mostrado na camada P-GaN na FIG. 2. A camada GaN do tipo P pode elevar a banda de energia da camada de barreira AlGaN e desempenhar o papel de esgotar o 2DEG para obter características normalmente desativadas. Quando um VGS positivo suficiente é aplicado, a tensão da porta-fonte é maior que a tensão limite, o campo elétrico interno da camada P-GaN é enfraquecido, a concentração de 2DEG aumenta, um canal de condução é formado, um canal de condução é formado e o dispositivo GaN FET é ligado. À medida que o VGS diminui e é menor que a tensão limite, o canal é gradualmente fechado novamente e o dispositivo GaNFET é desligado. Portanto, essa estrutura realiza principalmente o controle on-off do dispositivo GaNFET, controlando o potencial da barreira tipo P, aumentando e diminuindo a faixa de energia da camada de barreira AlGaN e alterando a concentração de 2DEG.

Literatura baseada na estrutura de portão do tipo P, usando metal TiN depositado na camada P-GaN para formar uma estrutura de portão de máscara de três camadas, de modo a alcançar o contato Schottky, como mostra a Figura 3. Essa estrutura possui uma placa de campo de proteção, que pode aumentar a flexibilidade do projeto da placa de campo para aplicações de alta tensão. O experimento prova que essa estrutura tem as vantagens de baixa resistência ao portão e RDS-ON com alta resistência à fonte de dreno VDS. Comparada com a estrutura P-GaN usando contato ôhmico, essa estrutura reduz a corrente de fuga do portão.

1.2.2 Estrutura da grade do sulco

A estrutura da porta ranhurada é mostrada na FIG. 4. Essa estrutura usa uma técnica de gravação a seco por plasma acoplado indutivamente (ICP) para gravar uma certa espessura da camada de barreira AlGaN sob a área da porta. Quando diluída até um certo ponto, a concentração de 2DEG no canal será suficientemente baixa. Toda a camada de barreira AlGaN sob o portão côncavo é removida, o 2DEG sob o portão desaparece e o filme Al2O3 é depositado sob o metal do portão como o dielétrico do portão, o que pode impedir sérias correntes de fuga do portão devido ao tamanho cada vez menor do dispositivo. A tensão de ruptura está muito baixa. Na tensão de porta zero, a concentração de 2DEG é insignificante e o dispositivo está desligado. Somente após a aplicação da tensão positiva da porta, o canal condutor será restaurado para obter a condução do dispositivo, ou seja, para obter características aprimoradas. No entanto, exceto para a camada de barreira sob o portão, as outras regiões da camada de barreira AlGaN não são diminuídas e a concentração de 2DEG permanece no nível original. Portanto, os FETs GaN feitos com a tecnologia de porta ranhurada têm vantagens na corrente de saturação e na transcondutância.

1.2.3 Estrutura em cascata

A estrutura Cascode é composta por uma cascata de GaN HEMT no modo de depleção de alta tensão e Si MOSFET de modo de aprimoramento de baixa tensão (transistor de efeito de campo semicondutor de óxido de metal), como mostra a Figura 5.

Pode ser visto a partir da estrutura que, quando o dispositivo não aplica a tensão da porta e a tensão da fonte de dreno é maior que zero, ele funciona no modo de bloqueio direto; quando a tensão da porta é maior que a tensão limite do Si MOSFET, o dispositivo conduz adiante; uma vez que o Si MOSFET reverte a condução, O dispositivo funcionará no modo de condução reversa. Como a tensão da fonte de drenagem Vds_Si do Si MOSFET fornece uma tensão de polarização negativa à tensão da fonte da porta Vgs_GaN do GaN HEMT, a ativação e desativação do GaN HEMT pode ser controlada controlando a ativação e desativação do Si MOSFET. Obviamente, devido à introdução de dispositivos à base de silicone nessa estrutura, os requisitos para embalagem são maiores e o volume também é maior. Comparado com outras estruturas de GaNFETs, os GaNFETs Cascode têm um nível de tensão mais alto e uma faixa de tensão de condução mais ampla, mas são sensíveis a dv / dt e di / dt. Especialmente em altas frequências, indutância comum excessiva da fonte pode causar o dispositivo danificar. Andrew e outros formaram GaNFETs inteligentes em cascata integrando unidades de gate inteligente com MOSFETs de Si para conduzir Gaem HEMTs no modo de depleção, como mostra a Figura 6. O inteligente Cascade GaNFET possui detecção de corrente integrada, resistência de saída ajustável, taxa de detecção de corrente ajustável e controle digital inteligente. Experimentos mostram que essa estrutura aprimorada do Cascode pode reduzir a oscilação do portão, reduzir a taxa de conversão de alta tensão e corrente, resolver problemas de dv / dt e di / dt e otimizar EMI usando a tecnologia de comutação dinâmica.

2 Status do produto GaN FET

Atualmente, as principais empresas que produzem FETs GaN no modo de depleção são a Cree nos Estados Unidos. Os principais parâmetros de seus produtos são mostrados na Tabela 1. Para promover a aplicação de HEMTs GaN no modo de depleção, a Transphorm lançou os FETs GaN estruturados em cascata. Pode ser visto na Tabela 1 que a tensão limite do GaN FET da Cree é negativa, o que reflete completamente sua característica normalmente ligada na tensão zero da porta.

Há relativamente muitos fabricantes de GaN FETs aprimorados, incluindo principalmente EPC em Hong Kong, Canadá, GaN Systems no Canadá e Panasonic no Japão. Seus principais parâmetros são mostrados na Tabela 2. Pode ser observado na Tabela 2 que, nos produtos GaN FET aprimorados, os níveis de tensão e corrente dos sistemas GaN são mais altos, mas a tensão limiar é menor; o nível de tensão do EPC é menor, a faixa de tensão de acionamento é a mais estreita e a perda de condução é grande, mas O nível de corrente de dreno é o mais alto; a Panasonic tem os níveis mais baixos de tensão e corrente, e a tensão limite é a mais baixa, mas a ativação é mais rápida; o Transphorm possui um nível de tensão mais alto, o maior alcance de condução e uma tensão limite mais alta, por isso é mais seguro de usar.

A Tabela 3 mostra os principais tipos de embalagem dos GaN FETs. A partir da tabela, pode-se ver que a estrutura de embalagem do GaN FET aprimorado é mais usada no tipo de patch e menos no tipo em linha. O efeito parasita do pino externo do tipo de adesivo é pequeno, mas não conduz à dissipação de calor; o tipo de inserção direta é o oposto, sua capacidade de dissipação de calor é melhor, mas geralmente é suscetível a parâmetros parasitários em altas frequências.

Além dos dispositivos GaN monolíticos, também existem produtos integrados para módulos GaN. Atualmente, a forma mais integrada de GaN é o módulo de meia ponte GaN, produzido principalmente pela EPC e GaN Systems. Entre eles, o EPC2104 (100 V, 30 A) e o GS66508T (650 V, 30 A) são os produtos de módulo de meia ponte GaN de grau mais alto das duas empresas.

3 Unidade GaN FET

3.1 método de isolamento

O circuito de acionamento está localizado entre o circuito principal e o circuito de controle, sua saída é acoplada ao circuito principal e sua entrada é conectada ao circuito de controle. Portanto, o circuito de acionamento geralmente requer um design isolado. Os métodos gerais de isolamento são divididos principalmente em isolamento por optocoupler e isolamento do transformador. Atualmente, comparado ao isolamento do transformador, o isolamento dos circuitos de acionamento GaN FET é mais isolado pelos optoacopladores. O design dos parâmetros do isolamento do acoplador óptico é relativamente simples, mas sua saída requer energia isolada do inversor. Atualmente, a classificação dos circuitos de acionamento GaN FET é principalmente um circuito de acionamento composto por componentes discretos e um circuito de acionamento composto principalmente por dispositivos integrados.

3.2 Requisitos básicos do circuito de acionamento

O efeito da tensão baixa da fonte da porta VGS, da tensão baixa de limiar VTH e dos parâmetros parasitários do GaN FET aprimorado faz com que o circuito tradicional de acionamento Si não seja mais adequado para GaN. Os requisitos de acionamento do GaNFET são mais rigorosos. O circuito de acionamento possui pelo menos as três funções a seguir : (1) Confiabilidade do sinal do inversor. A confiabilidade do sinal de acionamento é muito importante para o circuito de acionamento.Uma vez que o sinal de acionamento for instável, é muito provável que danifique o dispositivo GaN. Portanto, é necessário garantir a transmissão confiável dos sinais do inversor. Geralmente, em um sistema de comunicação ou quando a frequência está acima do nível de megahertz, uma tecnologia de acionamento por microondas (Drive-by-Mcrowave, DBM) é comumente usada para transmitir sinais de acionamento.

(2) desempenho antiparasitário. A baixa tensão limite do GaN FET o torna extremamente sensível a di / dt, dv / dt e indutância parasitária.Se a imunidade ao dirigir não for boa, o aumento da frequência de comutação não apenas aumentará a perda do dispositivo, mas também danificará o dispositivo em casos graves. Portanto, a unidade precisa de melhor imunidade a ruídos. Geralmente, métodos como reduzir a indutância da fonte comum e aumentar a resistência do inversor são adotados para melhorar a imunidade do inversor.

(3) A indutância parasitária do circuito da fonte de drenagem é pequena. O ruído e a oscilação do sinal da porta GaN FET são muito fortes: uma vez que a indutância parasitária do loop é muito grande, causará sobretensão e oscilação parasitária durante o desligamento, resultando em perdas adicionais. Portanto, o circuito de acionamento pode ser otimizado para reduzir a indutância parasitária.

3.3 Circuito de acionamento discreto FET GaN

O circuito geral de acionamento discreto do modo de aprimoramento GaN FET é mostrado na Figura 7. O circuito de acionamento discreto é composto de peças básicas, como fonte de alimentação de acionamento VCC, sinal PWM, resistência de isolamento e porta RG. As peças anteriores fornecem principalmente a tensão de acionamento VGS para o GaN FET.

A Figura 8 mostra o circuito de acionamento do grampo de pico do GaN FET. Ao adicionar uma rede de diodo-resistor-capacitor para prender a porta, esse circuito de alça pode efetivamente suprimir o valor de pico da tensão da porta e o valor de pico da corrente de dreno durante a passagem aberta. Entre eles, R1 e C1 podem fazer o dispositivo alternar rapidamente e suprimir o pico da tensão do portão, mas um pico negativo de tensão do portão será gerado durante o processo de desligamento; portanto, os ramos D1 e R3 são usados para aumentar a taxa de descarga de C1 durante o desligamento e mais R3 Quanto maior, mais rápida é a descarga de C1.

A literatura propõe um novo circuito de acionamento de porta para FETs GaN que reduz a perda de condução reversa, como mostra a Figura 9. O autor adiciona um circuito composto por um resistor R3, um capacitor C3, uma chave auto-excitada MOSFET Q1 de canal P e um diodo Dg na base do inversor de divisão de tensão, como mostra a linha pontilhada na FIG. 9. Entre eles, os valores de C3 e R3 são muito maiores que os de C2 e R2, portanto, C2 cobra e descarrega muito mais rápido que C3. Quando desligado, no acionador do divisor de tensão antes da melhoria, a carga armazenada no capacitor C2 do divisor de tensão gerará um VGS negativo alto e aumentará a perda de condução reversa. Após a melhoria, a parte pontilhada adicionada do circuito pode descarregar C2, tornando o VGS quase zero. Além disso, o VGS é limitado pela queda de tensão direta do diodo Dg. Portanto, o design do inversor reduz efetivamente as perdas causadas pelas características inversas do dispositivo.

A literatura é baseada no GaN bidirecional da Transphorm, projetando um circuito de acionamento GaN FET bidirecional com anti-dv / dt, como mostra a Figura 10. Os isoladores digitais têm alta imunidade transitória no modo comum e podem impedir os efeitos de alta dv / dt; esferas de ferrite são usadas para suprimir a oscilação da tensão do portão; e o circuito de buffer é colocado próximo ao dispositivo para suprimir a tensão de surto.

Atualmente, o inversor de frequência variável existente pode alterar apenas um único parâmetro de inversor para cada evento de comutação durante ou fora do período transitório, e o inversor ativo projetado na literatura pode ativar 0,12 ~ 64 durante o transiente de comutação Qualquer porta pull-up ou pull-down conduz a resistência de saída entre eles e atinge uma taxa efetiva de atualização de resistência de 6,7 GHz, o circuito é mostrado na Figura 11. As experiências mostram que o acionamento de porta ativa de loop aberto pode manter baixas perdas de comutação e reduzir superação, oscilação e EMI.

3.4 Circuito de acionamento integrado GaN FET

O circuito de acionamento discreto geral possui muitos componentes discretos, e a estrutura do circuito é mais complicada, o que leva a uma proteção complicada e a uma baixa confiabilidade. Portanto, em aplicações práticas, a maioria delas usa circuitos de acionamento integrado. O circuito de acionamento integrado é composto principalmente de chips de acionamento e outros componentes, conforme mostrado na Figura 12. No inversor integrado do GaN FET, os chips de inversor mais usados são LM5113, UCC27611, UCC21520 e assim por diante.

3.4.1 Circuito de acionamento integrado LM5113

O LM5113 é um chip de driver projetado para gerar FETs GaN avançados e avançados, em configurações síncronas de buck ou meia ponte. O chip usa a tecnologia de autoinicialização para gerar uma voltagem de polarização de ponta e a prende internamente a 5,2 V para impedir que a voltagem do portão exceda a classificação máxima de voltagem da fonte de portão do GaN FET.

A literatura propõe uma tecnologia de acionamento de três níveis, o circuito de acionamento é mostrado na Figura 13. Somente quando no tempo morto, CON é um sinal alto, o tubo inferior Vgs se torna Vx (Vx < Vth). Em teoria, quando Vx se aproxima de Vth, a queda de tensão de condução reversa é zero. O experimento prova que, comparado com o inversor de dois níveis, esse inversor reduz efetivamente a queda de tensão de condução reversa do GaN FET, melhorando assim a eficiência do conversor.

3.4.2 Circuito de acionamento integrado UCC27611

O UCC27611 é um acionador de portão de alta velocidade de canal único, e a tensão de acionamento VREF é regulada com precisão para 5 V por um regulador linear interno. Sua atribuição de pacotes e pinos com a menor indutância parasitária reduz os tempos de subida e descida e limita o toque. O circuito do inversor integrado usado na literatura é mostrado na Figura 14. A área de loop deste circuito é de apenas 1/30 do original, o que reduz efetivamente a indutância parasita, reduzindo assim a interferência na tensão do inversor.

O inversor integrado baseado em UCC17611 na literatura é diferente do mostrado na Figura 14. O sinal de inversor do circuito projetado pelo UCC27611 é acionado pelo circuito integrado de circuito fechado de fase CMOS universal CD4046 e, em seguida, pelo isolador digital de acoplador óptico Si8610BC. O sinal de acionamento do tubo inferior é acionado diretamente pelo UCC27611 sem isolamento. Dessa forma, a parede da ponte pode ser impedida de passar, porque o sinal de acionamento do tubo superior deve estar fora de sincronia com o sinal de acionamento do tubo inferior depois de passar pelo acoplador óptico e outros componentes, e há um atraso.

3.4.3 Circuito de acionamento integrado UCC21520

O UCC21520 é um driver de porta de canal duplo isolado e os dois sinais da unidade de saída são complementares. Quando o sinal PWM INA é alto, a saída OUTA aciona o tubo superior para ligar; quando INB é alto, a saída OUTB aciona o tubo inferior e INA e INB são sinais complementares. A literatura usa o UCC21520 para projetar um driver GaNFET com fixação de origem, como mostrado na Figura 15. Como o circuito da zona morta está integrado dentro do chip, a zona morta pode ser ajustada alterando a resistência do resistor externo R29 no circuito de acionamento. As esferas magnéticas desempenham um papel na desaceleração da geração de grandes oscilações de tensão no circuito do portão; o tubo do regulador é usado para impedir que a tensão da fonte do portão VGS flutue demais e o interruptor seja danificado; o transistor de aperto V6 pode suprimir o fenômeno de ativação excêntrica causada por interferência. Pode-se observar que o circuito de acionamento integrado possui melhor imunidade a ruídos.

4 Aplicações típicas do GaN FET

4.1 Aplicação no acionamento do motor

Como todos sabemos, mais de 60% da carga na indústria de energia é um motor. Sob o ambiente de economia de energia e redução de emissões, o conversor de acionamento do motor está se desenvolvendo para baixo consumo de energia, alta densidade de energia e alta eficiência. Para atingir esses objetivos, as pessoas voltam sua atenção para dispositivos de potência como GaN e usam as características dos FETs GaN para melhorar o desempenho dos conversores acionados por motor.

Para o motor trifásico de 5 kW, a literatura usa o módulo inversor GaN 3 × 3 para concluir o controle do conversor de matriz, o que reduz significativamente a perda e o volume do sistema. Ao operar em 10 kHz, a eficiência do conversor atinge 96%, o consumo de energia é menor que 1 W e a redução de volume não é menor que 1%.

Também no acionamento do motor de 5 kW, porque o driver de porta isolado tradicional tem uma vida útil curta do fotoacoplador a alta temperatura, a literatura projetou um driver de portão de meia ponte acionado por microondas com isolamento adequado para alta temperatura. Este inversor usa PGA26C09DV, de modo que quando o inversor GaN trabalha a 1 MHz, a perda de comutação é constante a 0,9 W, a eficiência atinge 94% e também pode fornecer energia de porta suficiente em uma temperatura ambiente de 140 °.

A literatura compara o desempenho de inversores trifásicos usando o modelo GaN FET TPH3206LD e o modelo Si MOSFET IPL60R185P7. Verificou-se que quando a frequência de comutação muda de 10 kHz para 100 kHz, as perdas de comutação do inversor GaN são responsáveis pelas perdas totais 12% ~ 55%, a eficiência está entre 97,8% ~ 96,4%; enquanto a perda de Si é 36% ~ 77%, a eficiência é de apenas 96,9% a 10 kHz. Pode-se observar que o desempenho dos inversores GaN aplicados aos acionamentos de motores é melhor que o do Si e tem mais potencial.

4.2 Aplicação no driver de LED

As vantagens dos LEDs, como vida útil longa, alta eficiência e economia de energia, os tornam cada vez mais populares, mas os LEDs são alimentados por CC, de modo que os conversores se tornaram uma parte indispensável deles. Como o conversor está muito próximo da lâmpada LED, isso requer que o conversor seja miniaturizado e capaz de operar em altas temperaturas. Embora a miniaturização exija freqüências de comutação na faixa de megahertz, novos semicondutores de largura de banda larga, como GaN, têm mercados em potencial nos drivers de LED.

Eric et al. Propuseram um pequeno e simples conversor Buck flutuante controlado por histerese analógico (quase ressonante) que usa dispositivos GaN FET. É comprovado por experimentos que o desempenho superior de comutação de 600 V GaN FET no nível de frequência de MHz reduz efetivamente o tamanho do conversor, melhorando ainda mais a densidade de potência e fazendo com que a eficiência do LED de 20 W atinja 91,2% entre 2,5 e 4,4 MHz. Pode-se ver que a perspectiva de GaN FETs em aplicações de acionamento por LED é muito impressionante.

4.3 Outras aplicações

4.3.1 Inversor fotovoltaico

Existe uma conexão elétrica entre o painel fotovoltaico e a rede elétrica.A tensão em modo comum causada pelo comportamento de alta frequência do inversor forma uma corrente em modo comum através da capacitância parasita entre o painel fotovoltaico e o terra, e a corrente em modo comum causa distorção da corrente conectada à rede. Interferência eletromagnética é gerada, o que ameaçará a segurança das pessoas em casos graves. Portanto, é necessário suprimir ou eliminar a corrente de modo comum no sistema conectado à rede fotovoltaica não isolada.O inversor conectado à rede GaN de dois pontos, baseado no modelo TPH3006PS, resolve efetivamente esse problema. É comprovado por experimentos que sua eficiência atinge 98,63%.

4.3.2 POL

Com a aplicação do ponto de carga (POL) em equipamentos de TIC de tecnologia da informação e comunicação, quando a frequência de comutação atinge 30 MHz, a redução da impedância parasitária se torna o maior desafio dos conversores síncronos DC / DC baseados em GaN. Akagi e outros projetaram um IC de driver de porta e adicionaram um soC de potência empilhada 3D (Stacked-on-Chip) ao conversor para obter uma eficiência máxima de 59% a 30 MHz. A eficiência máxima otimizada é de 85%. Pode-se observar que o GaN FET do modelo EPC8002 é bastante vantajoso em alta frequência.

Atualmente, os FETs GaN são amplamente utilizados em dispositivos eletrônicos de potência. Os pesquisadores usam principalmente as vantagens dos GaN FETs, como alta frequência de comutação e baixa perda de comutação para reduzir o volume do dispositivo, aumentando a frequência de operação do conversor, melhorando assim a eficiência do dispositivo, reduzindo o custo do dispositivo e aumentando a receita.

A Tabela 4 apresenta a situação da pesquisa de aplicação do conversor GaN FET em outros aspectos. Como pode ser visto na tabela, os FETs GaN são atualmente usados em conversores de potência pequenos e médios.Quando a frequência de comutação aumenta, a eficiência do conversor diminui, mas é basicamente 90% ou mais. Experimentos mostram que a redução na eficiência está relacionada ao mecanismo de perda de comutação. Obviamente, além de melhorar a eficiência, os conversores projetados com FETs GaN com potência acima de 1 kW têm muito pouca tensão de saída e ondulação de corrente. Além disso, o uso da tecnologia paralela GaN FET pode torná-lo aplicável a aplicações de alta potência de 10 kW e acima. Pode-se observar que a perspectiva de aplicação do GaN FET no conversor é ampla.

5 Em conclusão

Através da pesquisa sobre a estrutura do dispositivo, o circuito de acionamento e a aplicação do GaN FET, pode-se observar que, desde que seja resolvido o problema único de oscilação de porta do GaN FET em alta frequência, seu desenvolvimento poderá ser bastante promovido. Geralmente, podemos proceder de dois aspectos: um é projetar uma estrutura de dispositivo com melhor desempenho; o outro é projetar um circuito de acionamento mais razoável. Embora os FETs GaN atualmente tenham mais vantagens em aplicações de energia de pequeno e médio porte, no futuro, com a melhoria contínua e a melhoria do desempenho dos FETs GaN, mais aplicações de alta potência certamente terão um lugar nos FETs GaN.

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Informação sobre o autor:

Lan Xuemei Wu Wenjun

(Escola de Engenharia de Automação e Informação, Universidade de Tecnologia de Xi'an, Xi'an 710048, Shaanxi)

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