Ten artykuł ukazał się w Microwaves & RF i został opublikowany tutaj za zgodą.
Członkowie mogą pobrać ten artykuł w formacie PDF.
Czego się dowiesz:
- Jakie różne materiały są używane do tworzenia tranzystorów mocy GaN?
- Wpływ ciepła na wydajność.
- Zestawienie tranzystorów GaN wysokiej mocy RF obecnie dostępnych na rynku.
Moc w stanie stałym występuje w wielu formach, chociaż najszybciej rozwijająca się technologia półprzewodnikowa wysokiej częstotliwości i mocy może być oparta na azotku galu (GaN). Tranzystory mocy GaN od dawna są aktywnymi elementami konstrukcyjnymi dla liniowych i skompresowanych wzmacniaczy mocy w wojskowych systemach radarowych pasma L i S.
W zależności od potrzeb projektowych, tranzystory mocy GaN są dostępne u wielu dostawców dla różnych zastosowań w obwodach i systemach awionicznych, komercyjnych, przemysłowych, medycznych i wojskowych. Wszystkie one wykorzystują możliwości materiałów półprzewodnikowych GaN o szerokiej przerwie pasmowej do tworzenia tranzystorów RF/mikrofalowych o wysokiej gęstości mocy i wysokich poziomach mocy wyjściowej w małych pakietach.
Niektóre tranzystory mocy GaN są dostępne jako gołe matryce, podczas gdy wiele z nich jest dostarczanych w solidnych pakietach, które mają wewnętrzne dopasowanie impedancji w celu optymalizacji mocy wyjściowej dla określonego zakresu częstotliwości. Zakres częstotliwości dla tranzystorów GaN zbliża się do częstotliwości fal milimetrowych (mmWave) przy niższych poziomach mocy wyjściowej; najwyższe poziomy mocy wyjściowej są nadal dla sygnałów impulsowych zazwyczaj przy częstotliwościach pasma L i S.
Materiały mają znaczenie
Dyskretne tranzystory mocy GaN różnią się pod względem formy i funkcji, nawet w materiałach wspierających fundament materiałowy półprzewodnika GaN. Szerokopasmowe materiały GaN wspierają różne struktury tranzystorów, takie jak tranzystor polowy (FET), heterojunction-bipolar-transistor (HBT) i struktury high-electron-mobility-transistor (HEMT).
Jednakże, z powodu wysokiej odporności termicznej i ograniczonych możliwości rozpraszania mocy materiału GaN, półprzewodniki GaN są wytwarzane na podłożach o niższej odporności termicznej, w tym GaN na krzemie (Si), węgliku krzemu (SiC), a nawet syntetycznym diamencie. Wykorzystanie materiałów diamentowych, o najniższej rezystancji termicznej spośród tych trzech substratów, jest motywowane finansowaniem badań przez DARPA i jej program Near Junction Thermal Transport (NJTT), który jest realizowany z kilkoma partnerami od ponad dekady.
Although ma bardzo niski opór cieplny, który pomaga w usuwaniu ciepła z regionów złącza GaN półprzewodników, syntetyczny diament nadal nie jest praktyczną opcją podłoża dla konsumentów / komercyjnych zastosowań urządzeń GaN lub nawet dla aplikacji wojskowych / kosmicznych. Właściwości termiczne tych trzech materiałów podłoża znacznie się różnią, przy czym Si zapewnia najmniejsze rozpraszanie ciepła przy najniższych kosztach, a syntetyczny diament najlepsze rozpraszanie ciepła przy najwyższych kosztach. Stanowiąc praktyczny kompromis pomiędzy kosztem a wydajnością termiczną, SiC jest często używanym podłożem dla dyskretnych tranzystorów GaN o większej mocy, szczególnie tych przeznaczonych do zastosowań krytycznych.
Jak wspomniano, dyskretne tranzystory mocy GaN są dostępne jako półprzewodnikowa matryca i w różnych stylach opakowań, niektóre z dopasowaniem impedancji wejściowej i wejściowo-wyjściowej do 50 Ω, aby uprościć dodawanie do obwodów RF/mikrofalowych. Urządzenia GaN stają się coraz bardziej powszechne przy niższych częstotliwościach jako urządzenia aktywne w zasilaczach wysokiego napięcia i konwerterach mocy oraz w aplikacjach ładowania akumulatorów.
Dyskretne urządzenia w formie matrycy mogą obsługiwać szerokie pasmo, które prawie rozciąga się od dc do 18 GHz, podczas gdy zarówno matryca i pakowane części są dostępne od blisko dc do częstotliwości mmWave, choć na niższych poziomach mocy wyjściowej przy rosnących częstotliwościach. GaN stał się dobrze przyjętą technologią wzmacniania mocy w wielu aplikacjach radarów impulsowych, zwłaszcza dla wzmacniaczy mocy (PA) w C-, L-, i S- częstotliwości pasma. Technologia ta jest w stanie uzyskać wysokie wzmocnienie z niewielkim spadkiem amplitudy impulsu w zależności od częstotliwości. Zapewnia również bardzo wysoką sprawność drenu lub sprawność dodaną do mocy (PAE), czy to w formie chipu czy w opakowaniu.
Jakiej mocy wyjściowej RF/mikrofal można oczekiwać od pojedynczego tranzystora GaN? Praktyczne wzmacniacze PA dla radarów i telekomunikacji zazwyczaj łączą wiele aktywnych urządzeń w stopniach sterujących i wyjściowych, aby osiągnąć wymaganą szczytową/pulsacyjną lub ciągłą (CW) moc wyjściową dla projektowanej częstotliwości i szerokości pasma. Pojedynczy tranzystor nie będzie wystarczający dla wzmacniacza radarowego. Ale ponieważ tranzystory dyskretne o wyższej mocy stają się dostępne, mniej aktywnych urządzeń będzie potrzebnych do uzyskania docelowej mocy wyjściowej.
Kłopoty z ciepłem
Ciepło jest zazwyczaj czynnikiem ograniczającym moc dostarczaną przez pojedynczy tranzystor. Ponieważ złącza półprzewodnikowe tranzystora GaN generują ciepło, szczególnie przy wyższych poziomach mocy, ciepło musi być zarządzane, aby zapewnić długi czas pracy tranzystora.
Ilość ciepła generowanego przez tranzystor GaN (lub jakikolwiek inny) będzie określona przez to, jak efektywnie wykorzystuje on swoje zasilanie. Sprawność drenu tranzystora odnosi się do ilości lub procentu mocy prądu stałego dostarczanego na wejściu (dren) tranzystora, która jest dostępna jako moc sygnału RF na jego wyjściu. Projektanci wzmacniaczy i inni użytkownicy tranzystorów mogą odnosić się do PAE, który bierze pod uwagę wzmocnienie tranzystora i to jak dobrze obwody wzmacniacza wykorzystują zastosowaną moc.
Gdyby 100% sprawność była możliwa, tranzystor mógłby zwiększać poziom mocy sygnału wejściowego w funkcji wzmocnienia urządzenia bez rozpraszania ciepła. Ale sprawność drenu nigdy nie wynosi 100% i pewna ilość mocy wejściowej i energii biasu zostanie utracona w postaci ciepła. Najwyższa sprawność skutkuje najmniejszą ilością ciepła, które musi być rozpraszane dla bezpiecznej i długotrwałej pracy urządzenia.
Ale niektóre komercyjne tranzystory GaN charakteryzują się dobrą sprawnością drenu na poziomie 65% i wyższym, zastosowana energia jest tracona jako ciepło; dlatego ciepło musi być odprowadzane dla optymalnej żywotności i wydajności tranzystora. Opakowania z niską rezystancją termiczną mogą pomóc w odprowadzeniu ciepła od złączy tranzystora.
Ilość mocy wyjściowej dostępnej z pojedynczego tranzystora GaN będzie zależała od napięcia zasilania (typowo +28, +40, lub +50 V dc), rozmiaru i kształtu opakowania, a w przypadku nieopakowanych matryc, jak dobrze są one zarządzane termicznie w obwodzie aplikacyjnym. Niektórzy dostawcy tranzystorów GaN oferują półprzewodniki z tego samego procesu (np. do zasilania +28 V dc) w dwóch różnych opakowaniach, zazwyczaj solidnych metalowo-ceramicznych do montażu kołnierzowego i mniejszych „przykręcanych” do podłoża metalowo-ceramicznego. Podstawowym kompromisem jest moc w stosunku do rozmiaru, przy czym tranzystor w większym opakowaniu jest w stanie dostarczyć większą moc wyjściową poprzez otoczenie złączy termicznych tranzystora większą ilością materiału rozpraszającego ciepło.
Szukanie źródła
Dostawcy wysokiej mocy dyskretnych tranzystorów RF GaN, które mogą zasilać pulsacyjne systemy radarowe obejmują BeRex, Cree, Integra Technologies, Microsemi, NXP i Qorvo. Większość z tych dyskretnych urządzeń jest przeznaczona do pracy przy jednym z trzech napięć zasilania (dren do źródła urządzenia): +28, +40, i +50 V dc.
BeRex, na przykład, oferuje trzy GaN-on-SiC power HEMTs w swojej serii BCGxxx w formie matrycy do użytku z zasilaniem +28-V dc. Są to urządzenia szerokopasmowe o całkowitym pokryciu częstotliwości od dc do 26 GHz, które mogą być dopasowane impedancyjnie w obwodach wzmacniaczy do zastosowań w częstotliwościach pasm C, X, Ku i K. Trzy tranzystory, modele BCG002, BCG004 i BCG008, zapewniają poziomy nasyconej mocy wyjściowej odpowiednio 2, 4 i 8 W, przy częstotliwości testowej 12 GHz, z lepszym niż 8-dB wzmocnieniem i PAE równym 72%.
Większość dostawców tranzystorów dyskretnych GaN dostarcza swoje urządzenia w pakietach mocy, które są dopasowane pod względem impedancji w celu uzyskania wysokiego wzmocnienia w określonym zakresie częstotliwości. Dla wygody, niektórzy nawet umieszczają ten sam półprzewodnik GaN w wielu formatach pakietów. Na przykład, wysokiej mocy GaN-on-SiC HEMT firmy Integra Technologies, który zapewnia 500-W szczytową moc wyjściową przy 2,856 GHz jest dostępny w pakiecie przykręcanym (model IGN2856S500) oraz w wytrzymałym pakiecie do montażu kołnierzowego (model IGN2856S500S).
Obydwie pakowane wersje tranzystorów są hermetycznie uszczelnione pokrywami ceramiczno-epoksydowymi i pracują przy napięciu zasilania +50 V dc. Podczas gdy metalowe kołnierze zwiększają rozmiar w porównaniu z pakietem przykręcanym, ilość materiału ceramicznego w obu pakietach jest taka sama, uzbrajając je w podobną charakterystykę rozpraszania termicznego.
Każde pakowane urządzenie zawiera obwody dopasowujące impedancję na portach wejściowych i wyjściowych dla optymalnej wydajności przy częstotliwości przemysłowej, naukowej i medycznej (ISM) 2,856-GHz, osiągając 60% typowej sprawności drenu przy impulsach o szerokości 12 μs przy 3% współczynniku wypełnienia. Tranzystory mocy obsługują poziomy mocy sygnału wejściowego od 25,0 do 39,7 W i zapewniają typowe wzmocnienie 11,8 dB.
Dostępny od kilku lat dla wzmacniaczy radarów impulsowych pasma C, 3942GN-120V GaN-on-SiC HEMT firmy Microsemi zapewnia 120-W szczytową moc wyjściową od 3,9 do 4,2 GHz przy zasilaniu +50-V dc. Ten niezawodny, metalizowany złotem tranzystor jest umieszczony w hermetycznie zamkniętej obudowie do montażu kołnierzowego. Przy charakterystyce z impulsami o długości 200 μs przy 10% cyklu pracy, pracuje on z typową sprawnością drenu 62%. Wzmocnienie jest duże, typowo 15,2 dB przy 3,9 i 4,2 GHz, z małym spadkiem impulsu, typowo -0,15 dB lub lepszym.
Dla tych, którzy wymagają szerszego pasma, aczkolwiek z dużo mniejszą mocą, model DC35GN-15-Q4 tej samej firmy to GaN-on-SiC HEMT zaprojektowany w konfiguracji liniowej klasy AB do użycia zarówno w aplikacjach impulsowych jak i CW od 5 MHz do 3,5 GHz. W tym zakresie częstotliwości zapewnia on typową moc wyjściową 19 W przy sygnałach CW lub impulsach o długości nawet 1000 μs przy 10% cyklu pracy. Dostarczany w kompaktowej obudowie QFN, tranzystor dyskretny wspiera aplikacje radarowe i systemów komunikacyjnych przy typowej sprawności drenu 66%. Został zaprojektowany na napięcie zasilania +50 V dc.
Inny szerokopasmowy tranzystor dyskretny GaN-on-SiC dużej mocy, MMRF5017HS firmy NXP Semiconductors, jest dostarczany w przykręcanej metalowo-ceramicznej obudowie z dopasowaniem impedancji wejściowej do zastosowań w zakresie od 30 do 2200 MHz. Uniwersalny tranzystor mocy +50 V DC może obsługiwać sygnały ciągłe i impulsowe z wysoką sprawnością i wzmocnieniem. Zapewnia 125 W mocy wyjściowej w trybie ciągłym i 18-dB typowego wzmocnienia przy 59,1% sprawności drenu przy 520 MHz oraz 80 W mocy wyjściowej w trybie ciągłym, 18,4-dB wzmocnienia i 44% sprawności drenu przy 940 MHz. W teście z 2200-MHz, 100-μs impulsów dla 20% cyklu pracy, zapewnia szczytową moc wyjściową 200 W.
Oferując nieco większą moc w szerszym paśmie i w bardziej konwencjonalnej obudowie do montażu kołnierzowego, model MMRF5014H tej samej firmy jest dyskretnym tranzystorem GaN zdolnym do pracy CW i impulsowej od 1 do 2700 MHz. Charakteryzuje się szczytową i ciągłą mocą wyjściową 125 W przy 2500 MHz ze wzmocnieniem 16-dB w trybie ciągłym i 18-dB w trybie impulsowym. Sprawność drenu wynosi 64% lub lepiej zarówno dla sygnałów ciągłych, jak i impulsowych (impulsy 100 μs przy 20% cyklu pracy). Testowany do pracy szerokopasmowej, jest zdolny do uzyskania mocy wyjściowej 100-W CW przy wzmocnieniu 12-dB w zakresie od 200 do 2500 MHz, chociaż typowa sprawność drenu spada do 40%.
Dyskretny tranzystor mocy GaN-on-SiC QPD1029L opracowany przez Qorvo należy do tranzystorów GaN RF o najwyższym napięciu zasilania, zaprojektowanych na napięcie zasilania +65 V dc. Jego wejście dopasowuje się do pary karkasów GaN w obudowie kołnierzowej z czterema wyprowadzeniami, zapewniając wysokie poziomy mocy sygnału z zakresu od 1,2 do 1,4 GHz. Idealne do zastosowań w radarach impulsowych pasma L, ale również przydatne do wzmacniania sygnałów CW, urządzenie osiąga moc wyjściową 1500 W przy impulsach o szerokości 300 μs przy 10% cyklu pracy. Moc wyjściowa jest wynikiem 21.3-dB liniowego wzmocnienia dla sygnału wejściowego na poziomie +46.2 dBm. Typowa sprawność drenu przy częstotliwości 1,3 GHz wynosi 62,5%.
Wiele z tych dyskretnych tranzystorów GaN wykorzystuje złotą metalizację dla zapewnienia wysokiej niezawodności i jest przystosowanych do maksymalnego napięcia dren-źródło (zasilanie) +150 V dc. Jak pokazują przykłady, znaczna szczytowa moc wyjściowa jest możliwa z pojedynczego urządzenia pracującego na dowolnym z trzech najbardziej popularnych napięć zasilania (+28, +40 i +50 V dc) – praca przy wyższym napięciu zasilania nie gwarantuje wyższej mocy wyjściowej.
W rzeczywistości, badania niezawodności wykorzystujące przyspieszone testy żywotności (przeprowadzone przez Cree)1 ujawniły, że GaN-on-SiC HEMTs równie dobrze radzą sobie z różnymi napięciami zasilania. Nawet przy najwyższym napięciu zasilania (+50 V dc), podczas gdy niektóre urządzenia wykazywały lekką degradację nasyconej mocy wyjściowej, prawdopodobnie z powodu wypalenia, nie stwierdzono żadnych uszkodzeń podczas przyspieszonych testów żywotności tranzystorów wyprodukowanych w kilku różnych procesach GaN-on-SiC.
Cree oferuje najszerszy asortyment tranzystorów dyskretnych GaN-on-SiC, zarówno w formie matrycy jak i w opakowaniach. W postaci matrycy, tranzystor dyskretny GaN-on-SiC CGHV1J025D zapewnia wystarczającą (nasyconą) moc wyjściową 25 W od 10 MHz do 18 GHz, aby obsłużyć różnorodne aplikacje komunikacji punkt-punkt i satelitarnej oraz radary morskie. Podczas testowania przy napięciu +40 V DC w uchwycie testowym, tranzystor daje wzmocnienie małosygnałowe 17 dB i 60% typowego PAE przy 10 GHz. W celu uzyskania większej mocy i takiego samego wzmocnienia, ale mniejszej szerokości pasma, firmowy tranzystor mocy CGHV60040D GaN zapewnia moc wyjściową 40 W przy 65% PAE od dc do 6 GHz i zasilaniu +40 V dc.
Wybierz opakowanie
Dbając o elastyczność układu, Cree umieszcza wiele ze swoich dyskretnych tranzystorów GaN-on-SiC w opakowaniach z kołnierzem i bez kołnierza. Na przykład, model +50-V dc CGHV40100 jest dostępny w obu stylach pakowania z jednakowymi poziomami wydajności od dc do 3 GHz dla każdego z pakowanych urządzeń.
Dyskretne tranzystory mocy, dostępne u dystrybutora Mouser Electronics, wymagają dopasowania impedancji wejściowej i wyjściowej do konkretnej aplikacji. Są zdolne do uzyskania 100-W nasyconej mocy wyjściowej CW przy 1 GHz, 141 W przy 1,5 GHz i 116 W przy 2,0 GHz, ze wzmocnieniem małosygnałowym 16,9-dB przy 1 GHz i 17,5-dB przy 2 GHz. Tranzystor zapewnia wysoką sprawność, z której znany jest GaN, ze sprawnością drenu 68% przy 0,5 GHz, 56% przy 1 GHz i 54% przy 2 GHz.
Wśród urządzeń konfekcjonowanych, Cree CGHV14800 GaN HEMT (rys. 1) jest jednym z dostępnych urządzeń dyskretnych o najwyższej mocy, przeznaczonym do impulsowych radarów kontroli ruchu lotniczego i radarów pogodowych pasma L od 960 do 1400 MHz. Dostarczany w odpornej ceramiczno-metalowej obudowie kołnierzowej, zapewnia moc wyjściową 1000 W przy typowym wzmocnieniu 15,5 dB i sprawności drenu 74% przy częstotliwości 1,2 GHz.
1. Dyskretne tranzystory GaN dużej mocy wymagają solidnych metalowych/ceramicznych obudów pomagających w rozpraszaniu ciepła, takich jak zastosowane w tym tranzystorze GaN-on-SiC do zastosowań w paśmie L od 960 do 1400 MHz. (Dzięki uprzejmości Wolfspeed/Cree)
Przy swojej górnej granicy częstotliwości, tranzystor +50-V dc nadal zapewnia moc wyjściową 910 W i wzmocnienie 15,1 dB z 67% typową sprawnością drenu przy 1,4 GHz. Obsługuje impulsowe poziomy mocy wejściowej na poziomie +41 dBm dla impulsów 100 μs przy 5% maksymalnym cyklu pracy i cierpi na spadek amplitudy impulsu tylko o -0,3 dB w całym paśmie.
Do zasilania niższym napięciem model CGH40180PP firmy Cree jest niezrównanym GaN-on-SiC HEMT w czterokołowej obudowie kołnierzowej (Rys. 2) zaprojektowanym do użytku od dc do 3 GHz z napięciem drenu +28 V dc. Jako efektywny wzmacniacz mocy sygnału dla infrastruktury komórkowej i systemów testowych, dostarcza 220-W typowej nasyconej mocy wyjściowej CW z zakresu od 1,1 do 1,3 GHz przy 65% typowej sprawności drenu i 13-dB minimalnym wzmocnieniu mocy. Wzmocnienie małosygnałowe wynosi typowo 20 dB przy 1 GHz i 15 dB przy 2 GHz.
2. model CGH40180PP jest niezrównanym GaN-on-SiC HEMT w obudowie kołnierzowej z czterema wyprowadzeniami do użytku od dc do 3 GHz z zasilaniem +28-V dc. (Dzięki uprzejmości Wolfspeed/Cree)
Oczywiście, to reprezentuje tylko kilka przykładów wysokiej mocy RF/mikrofalowych możliwości GaN i GaN-on-SiC substratów. GaN na Si jest podstawą dla rosnącej liczby produktów do konwersji mocy i ładowania, kluczem do których są firmy takie jak Texas Instruments i GaN Systems. GaN FET-y GaN o napięciu +600 V dc ze zintegrowanymi sterownikami firmy Texas Instruments stały się kluczowymi komponentami w wielu produktach zasilających i konwertujących moc. GaN Systems oferuje matrycę GaN HEMT o napięciu +650 V dc, przeznaczoną do konwerterów mocy i napędów silnikowych o dużej gęstości mocy.
GaN zapewnia wysoką moc sygnału przy częstotliwościach RF i mikrofalowych i prawdopodobnie będzie stopniowo przesuwał się w zakres częstotliwości mmWave, ponieważ potrzeby mocy sygnału rosną w takich zastosowaniach jak bezprzewodowa komunikacja komórkowa 5G i samochodowe systemy radarowe.