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O que você vai aprender:
- Quais são os diferentes materiais usados na criação de transistores de energia GaN?
- O impacto do calor no desempenho.
- Um resumo dos transístores GaN de alta potência RF actualmente no mercado.
A potência de estado sólido vem em muitas formas, embora a tecnologia de semicondutores de alta frequência e alta potência de crescimento mais rápido possa ser baseada no nitreto de gálio (GaN). Os transistores de potência GaN têm sido há muito tempo os blocos de construção de dispositivos ativos para amplificadores de potência lineares e comprimidos em sistemas de radar militares de banda L e S.
Dependente das necessidades de projeto, os transistores de potência GaN estão disponíveis em muitos fornecedores para uma variedade de aplicações em circuitos e sistemas para uso aviônico, comercial, industrial, médico e militar. Todos eles aproveitam as capacidades dos materiais semicondutores GaN de banda larga para formar transistores de RF/microondas com alta densidade de potência e altos níveis de potência de saída em pacotes pequenos.
Alguns transistores de potência GaN estão disponíveis como molde nu, enquanto muitos são fornecidos dentro de pacotes robustos que têm impedância interna correspondente para otimizar a potência de saída para uma determinada faixa de freqüência. A cobertura de freqüência para transistores GaN está se aproximando de freqüências de ondas milimétricas (mmWave) em níveis mais baixos de potência de saída; os níveis mais altos de potência de saída ainda são para sinais pulsados tipicamente nas freqüências das bandas L e S.
Materiais Matter
Transístores de potência GaN discretos variam na forma e função, mesmo nos materiais que suportam a fundação do material semicondutor GaN. Materiais GaN de banda larga suportam diferentes estruturas de transistor, tais como transistor de campo-eficaz (FET), transistor de heterojunção-bipolar (HBT), e estruturas de transistor de alta mobilidade de elétrons (HEMT).
No entanto, devido à alta resistência térmica e à limitada capacidade de dissipação de energia do material GaN, os semicondutores GaN são fabricados em substratos com menor resistência térmica, incluindo GaN em silício (Si), carboneto de silício (SiC), e até mesmo em diamante sintético. O uso de materiais diamantados, com a menor resistência térmica dos três substratos, é motivado pelo financiamento de pesquisa da DARPA e seu programa Near Junction Thermal Transport (NJTT), que está em vigor com vários parceiros há mais de uma década.
Embora tenha resistência térmica extremamente baixa, o que ajuda a remover calor das regiões de junção dos semicondutores GaN, o diamante sintético ainda não é uma opção prática de substrato para aplicações de consumo/comerciais dos dispositivos GaN ou mesmo para aplicações militares/aeroespaciais. As propriedades térmicas dos três materiais de substrato são muito diferentes, com o Si fornecendo a menor dissipação de calor ao menor custo e o diamante sintético a melhor dissipação térmica ao maior custo. Representando um tradeoff prático entre custo e desempenho térmico, o SiC é um substrato frequentemente utilizado para transistores GaN discretos de maior potência, especialmente aqueles destinados a aplicações de missão crítica.
Como mencionado, os transistores GaN discretos de potência estão disponíveis como molde semicondutor e em vários estilos de pacote, alguns com impedância de entrada e entrada/saída correspondente a 50 Ω para simplificar a adição a circuitos de RF/microondas. Os dispositivos GaN estão se tornando mais comuns em frequências mais baixas como os dispositivos ativos em fontes de alimentação de alta tensão e conversores de energia e em aplicações de carga de baterias.
Os dispositivos discretos em forma de matriz podem lidar com banda larga que quase se estende de dc a 18 GHz, enquanto tanto a matriz como as peças embaladas estão disponíveis a partir de freqüências próximas de dc a mmWave, embora em níveis mais baixos de potência de saída em freqüências crescentes. O GaN tornou-se uma tecnologia de amplificação de potência bem aceita em muitas aplicações de radar pulsado, especialmente para amplificadores de potência (PAs) nas freqüências de banda C, L e S. A tecnologia é capaz de um alto ganho com pouca queda na amplitude do pulso em toda a frequência. Ela também fornece eficiência de drenagem extremamente alta ou eficiência de adição de energia (PAE), seja na forma de chip ou embalada.
Apenas quanta potência de saída RF/microondas pode ser esperada de um único transistor GaN? PAs práticos para radar e amplificadores de telecomunicações tipicamente combinam múltiplos dispositivos ativos nos estágios de driver e saída para alcançar uma potência de saída de pico/pulsado ou de onda contínua (CW) necessária para uma frequência e largura de banda de projeto. Um único transistor não será suficiente para um amplificador de radar. Mas à medida que os transístores discretos de maior potência estiverem disponíveis, serão necessários dispositivos menos activos para a potência de saída pretendida.
Issues com calor
Calor é normalmente um factor limitador na potência fornecida por um único transistor. Como as junções semicondutoras de um transistor GaN geram calor, especialmente em níveis de potência mais altos, o calor deve ser gerenciado para garantir uma longa vida útil operacional do transistor.
A quantidade de calor gerada por um transistor GaN (ou qualquer outro) será determinada pela eficiência com que ele usa sua fonte de alimentação. A eficiência de drenagem do transistor refere-se à quantidade ou porcentagem de energia dc fornecida na entrada (drenagem) de um transistor que está disponível como potência do sinal de RF em sua saída. Designers de amplificadores e outros usuários de transistores podem se referir ao PAE, que considera o ganho do transistor e o quão bem o circuito do amplificador utiliza a potência aplicada.
Se fosse possível 100% de eficiência, um transistor poderia aumentar o nível de potência de um sinal de entrada em função do ganho do dispositivo sem dissipar qualquer calor. Mas a eficiência de drenagem nunca é 100% e alguma energia de entrada e energia tendenciosa será perdida como calor. A maior eficiência resulta na menor quantidade de calor que deve ser dissipada para o funcionamento seguro e prolongado do dispositivo.
Embora alguns transistores GaN comerciais apresentem uma boa eficiência de drenagem de 65% ou mais, a energia aplicada é perdida como calor; assim, o calor deve ser dissipado para uma ótima vida útil e desempenho do transistor. Pacotes com baixa resistência térmica podem ajudar a escoar o calor para longe das junções de um transístor.
A quantidade de energia de saída disponível de um único transistor GaN dependerá da tensão de alimentação (normalmente +28, +40, ou +50 V dc), do tamanho e forma do pacote, e, para troquéis não embalados, o quão bem eles são termicamente gerenciados em um circuito de aplicação. Alguns fornecedores de transistores GaN oferecem semicondutores do mesmo processo (como para uma alimentação de +28 V dc) em dois pacotes diferentes, normalmente pacotes robustos montados em flange de metal-cerâmica e pacotes menores “parafusados” de metal-cerâmica. A troca básica é a potência por tamanho, com o transistor no pacote maior capaz de fornecer mais potência de saída, circundando as junções térmicas do transistor com uma maior quantidade de material dissipador de calor.
Procurando uma Fonte
Fornecedores de transistores GaN RF discretos de alta potência que podem alimentar sistemas de radar pulsado incluem BeRex, Cree, Integra Technologies, Microsemi, NXP, e Qorvo. A maioria destes dispositivos discretos são projetados para uso em uma das três tensões de alimentação (dreno do dispositivo para a fonte): +28, +40, e +50 V DC.
BeRex, por exemplo, oferece três HEMTs de potência GaN-on-SiC na sua série BCGxxx em forma de matriz para uso com fontes de alimentação de +28 V dc. Estes são dispositivos de banda larga com cobertura total de frequência de dc a 26 GHz que podem ser combinados com a impedância dentro dos circuitos de amplificação para aplicações em frequências de banda C, X-, Ku- e K. Os três transistores, modelos BCG002, BCG004 e BCG008, fornecem níveis saturados de potência de saída de 2, 4 e 8 W, respectivamente, a uma freqüência de teste de 12 GHz, com ganho superior a 8 dB e PAE de 72%.
Os fornecedores de transistores mais discretos GaN fornecem seus dispositivos dentro de pacotes de potência que são impedanciados para um ganho elevado em uma faixa específica de freqüência. Para conveniência, alguns até mesmo hospedam o mesmo semicondutor GaN dentro de vários formatos de pacotes. Por exemplo, um HEMT GaN-on-SiC de alta potência da Integra Technologies que fornece 500-W de potência de saída de pico a 2,856 GHz está disponível em um pacote parafusado (modelo IGN2856S500) e em um pacote de montagem em flange para serviço pesado (modelo IGN2856S500S).
Bambas as versões com transistor são hermeticamente seladas com tampas cerâmica-epoxy e operam com tensão de alimentação de +50 V dc. Enquanto os flanges metálicos acrescentam tamanho em relação à embalagem aparafusada, a quantidade de material cerâmico em ambas as embalagens é a mesma, armando-as com características de dissipação térmica semelhantes.
Cada embalagem contém circuitos de correspondência de impedância nas portas de entrada e saída para um desempenho ideal na frequência industrial, científica e médica (ISM) de 2,856-GHz, alcançando 60% de eficiência típica de drenagem com pulsos de 12-μs de largura a 3% de fator de serviço. Os transistores de potência suportam níveis de potência de entrada-sinal de 25,0 a 39,7 W e fornecem ganho típico de 11,8 dB,
Disponível por vários anos para amplificadores de radar pulsados de banda C, o HEMT GaN-on-SiC 3942GN-120V da Microsemi fornece 120-W de potência de saída de pico de 3,9 a 4,2 GHz quando alimentado por uma fonte de +50-V dc. O confiável transístor metálico de ouro é alojado dentro de um pacote hermeticamente selado de montagem em flange. Quando caracterizado com pulsos de 200-μs-long a 10% de ciclo de trabalho, ele opera com eficiência de drenagem típica de 62%. O ganho é alto, tipicamente 15,2 dB a 3,9 e 4,2 GHz, com pouca queda de pulso, tipicamente -0,15 dB ou melhor.
Para aqueles que requerem maior largura de banda, embora com muito menos potência, o modelo DC35GN-15-Q4 da mesma empresa é um HEMT GaN-on-SiC projetado em uma configuração linear Classe AB para uso tanto em aplicações pulsadas como em CW de 5 MHz a 3,5 GHz. Em toda essa faixa de freqüência, ele fornece potência de saída típica de 19 W com sinais CW ou com pulsos tão largos quanto 1000 μs a 10% de ciclo de trabalho. Fornecido em um pacote QFN de cavidade compacta, o transistor discreto suporta aplicações de radar e sistemas de comunicação com eficiência de drenagem típica de 66%. É projetado para +50-V dc de tensão de alimentação.
Outro transistor discreto GaN-on-SiC de banda larga de alta potência, o MMRF5017HS da NXP Semiconductors, é fornecido em um pacote de metal-cerâmica aparafusado com impedância de entrada correspondente para uso de 30 a 2200 MHz. O versátil transistor de +50-V dc de potência pode lidar com sinais CW e pulsados com alta eficiência e ganho. Ele fornece 125-W CW de potência de saída e 18-dB de ganho típico com 59,1% de eficiência de drenagem a 520 MHz e 80-W CW de potência de saída, 18,4-dB de ganho e 44% de eficiência de drenagem a 940 MHz. Quando testado com 2200-MHz, 100-μs pulsos para um ciclo de trabalho de 20%, ele fornece potência de saída de pico de 200 W.
Oferecendo um pouco mais de potência em uma largura de banda maior e em um pacote mais convencional de montagem em flange, o modelo MMRF5014H da mesma empresa é um transistor GaN discreto capaz de CW e operação pulsada de 1 a 2700 MHz. Possui potência de saída de pico e CW de 125 W a 2500 MHz com ganho de 16-dB CW e ganho pulsado de 18-dB. A eficiência de drenagem é de 64% ou melhor tanto para sinais CW como pulsados (100-μs pulsos a 20% do ciclo de trabalho). Quando testado para operação em banda larga, é capaz de 100-W de potência de saída CW com ganho de 12-dB de 200 a 2500 MHz, embora a eficiência típica de drenagem caia para 40%.
O transístor de potência GaN-on-SiC discreto QPD1029L desenvolvido pela Qorvo está entre os transístores de potência de RF GaN de mais alta tensão, projetado para tensão de alimentação de +65 V dc. Sua entrada corresponde a um par de matrizes GaN dentro de um pacote de flange de quatro derivações para altos níveis de potência de sinal de 1,2 a 1,4 GHz. Ideal para aplicações de radar pulsado de banda L, mas também útil para impulsionar sinais CW, o dispositivo atinge 1500-W de potência de saída com pulsos de 300-μs de largura a 10% de ciclo de trabalho. A potência de saída é um resultado de 21,3-dB de ganho linear para um sinal de entrada a +46,2 dBm. A eficiência típica de drenagem a 1,3 GHz é de 62,5%.
Muitos destes transístores GaN discretos empregam metalização de ouro para alta confiabilidade e são classificados para tensão máxima de drenagem (alimentação) de +150 V dc. Como os exemplos mostram, é possível uma potência de saída de pico significativa a partir de um único dispositivo operando em qualquer uma das três tensões de alimentação mais populares (+28, +40 e +50 V dc) – a operação em uma tensão de alimentação mais alta não é garantia de potência de saída mais alta.
Na verdade, estudos de confiabilidade usando testes de vida acelerada (por Cree)1 revelaram que os HEMTs GaN-on-SiC lidavam igualmente bem com diferentes tensões de alimentação. Mesmo na tensão de alimentação mais alta (+50 V dc), enquanto alguns dispositivos exibiram leve degradação na potência de saída saturada, possivelmente devido ao comportamento de burn-in, não foram encontradas falhas durante o teste acelerado de vida útil de transistores fabricados com vários processos diferentes de GaN-on-SiC.
Cree oferece a mais ampla variedade de transistores GaN-on-SiC discretos, tanto na versão de matriz quanto na versão embalada. Na forma de troquel, o transistor discreto CGHV1J025D GaN-on-SiC fornece potência de saída suficiente (saturada) a 25 W de 10 MHz a 18 GHz para servir uma variedade de comunicações ponto-a-ponto e satélite e aplicações de radar marítimo. Quando testado a +40 V DC em um dispositivo de teste, o transistor produz ganho de sinal pequeno de 17 dB e PAE típico de 60% a 10 GHz. Para mais potência e a mesma quantidade de ganho, mas menos largura de banda, a matriz do transistor de potência CGHV60040D GaN da empresa fornece 40-W de potência de saída com 65% PAE de dc a 6 GHz e uma fonte de alimentação de +40-V dc.
Pick a Package
Addressing layout flexível, Cree abriga muitos de seus discretos transistores GaN-on-SiC em pacotes de pílulas flangeadas e sem flange. Por exemplo, o +50-V dc modelo CGHV40100 vem em ambos os estilos de pacotes com níveis de desempenho iguais de dc a 3 GHz para cada um dos dispositivos empacotados.
Os transistores de potência discreta, disponíveis no distribuidor Mouser Electronics, requerem correspondência de impedância de entrada e saída para uma determinada aplicação. Eles são capazes de 100-W de potência de saída saturada CW a 1 GHz, 141 W a 1,5 GHz, e 116 W a 2,0 GHz, com 16,9-dB de ganho de sinal pequeno a 1 GHz e 17,5-dB de ganho a 2 GHz. O transistor proporciona a alta eficiência pela qual o GaN é conhecido, com eficiência de drenagem de 68% a 0,5 GHz, 56% a 1 GHz, e 54% a 2 GHz.
entre seus dispositivos embalados, o CGHV14800 GaN HEMT do Cree (Fig. 1) é um dos dispositivos discretos de maior potência disponível, visando o controle de tráfego aéreo pulsado na banda L e radares meteorológicos de 960 a 1400 MHz. Fornecido em um robusto pacote de flange cerâmica/metal, ele fornece potência de saída de 1000-W com ganho típico de 15,5-dB e 74% de eficiência de drenagem típica a 1,2 GHz.
1. Os transistores discretos GaN de alta potência requerem pacotes robustos de metal/cerâmica para ajudar a dissipar o calor, como o usado com este transistor GaN-on-SiC de banda L para aplicações de banda L de 960 a 1400 MHz. (Cortesia do Wolfspeed/Cree)
No seu limite de frequência superior, o transistor +50-V dc ainda fornece 910 W de potência de saída e 15,1 dB de ganho com 67% de eficiência típica de drenagem a 1,4 GHz. Ele lida com níveis de potência de entrada pulsada a +41 dBm para pulsos de 100-μs a 5% do ciclo de trabalho máximo e sofre apenas queda de amplitude de pulso de -0,3-dB em toda a sua largura de banda.
Para uma alimentação de baixa tensão, o modelo CGH40180PP da Cree é um HEMT GaN-on-SiC incomparável em um pacote com flange de quatro derivações (Fig. 2) projetado para uso de dc a 3 GHz com tensão de drenagem de +28 V dc. Um amplificador de potência de sinal eficaz para aplicações em infra-estrutura celular e sistemas de teste, ele fornece 220-W de potência de saída em CW saturada típica de 1,1 a 1,3 GHz com 65% de eficiência de drenagem típica e 13-dB de ganho mínimo de potência. O ganho de sinal pequeno é tipicamente 20 dB a 1 GHz e 15 dB a 2 GHz.
Obviamente, estes representam apenas alguns exemplos das capacidades de RF/microondas de alta potência dos substratos de GaN e GaN-on-SiC. GaN on Si é a base para um número crescente de produtos de conversão de energia e carregamento, chaveados por empresas como a Texas Instruments e a GaN Systems. Os +600-V dc GaN FETs da Texas Instruments com controladores integrados tornaram-se componentes-chave em muitos produtos de fornecimento e conversão de energia. GaN Systems oferece uma matriz GaN HEMT de +650-V dc para conversores de potência de alta densidade e acionamentos de motores.
GaN fornece alta potência de sinal em frequências de RF e microondas e é provável que se mova firmemente para a gama de frequências mmWave à medida que as necessidades de potência do sinal aumentam para aplicações como comunicações celulares sem fios 5G e sistemas de radar automóvel.