Применение транзисторов на нитриде галлия в электроэнергетике
Нитрид галлия - полупроводниковый материал, из которого изготавливается большинство типов современных светодиодов. Также изделия из него применяются в базовых станциях мобильной связи. Но недавно для нитрида галлия открылось новое применение - из него изготавливают силовые транзисторы, применяемые в альтернативной энергетике, электротранспорте и даже в бытовых зарядных устройствах.
Важной характеристикой любого полупроводника является ширина запрещенной зоны. Что означает этот показатель и как он связан с применением приборов из данного материала в энергетике?
Различают две зоны, в которых могут находиться энергетические уровни электронов в полупроводниковых материалах, - валентную или проводимости. Эти зоны не пересекаются, промежуток между ними именуется запрещенной зоной. Энергетические уровни, находящиеся там, не могут заниматься электронами. Наличие запрещенной зоны - характерная особенность не только полупроводников, но и диэлектриков (у проводников зоны валентности и проводимости смыкаются). Ширина запрещенной зоны измеряется в электрон-вольтах (эВ). Принято считать, что, если данный показатель у материала меньше 5 эВ, то перед нами полупроводник, в противном случае - диэлектрик.
Самый распространенный на сегодняшний день полупроводник из используемых в электронике - кремний. У него ширина запрещенной зоны составляет 1,12 эВ. Но сейчас специалистов больше интересуют полупроводники с шириной запрещенной зоны более 2 эВ (иначе именуемые широкозонными), они лучше подходят для применений, связанных с коммутацией больших токов и напряжений. Причина такого интереса заключается в следующем. Чем выше температура, тем активнее электроны самопроизвольно переходят с одного энергетического уровня на другой. При этом чем шире запрещенная зона, тем ниже вероятность такого перехода. В итоге чем больше ширина запрещенной зоны полупроводника, тем, в общем случае, больше максимально допустимая температура для изделий на его основе и тем меньше ток утечки.
Если представить МОП-транзистор в виде коммутатора (а именно в таком качестве он применяется в электроэнергетике), то при использовании для его изготовления широкозонных полупроводников сопротивление ключа в разомкнутом состоянии будет очень большим (порядка десятков МОм). И это сопротивление будет слабо зависеть от нагрева, неизбежного при коммутации значительных токов. Параметры наиболее часто используемых сейчас в электронике полупроводниковых материалов приведены в таблице.
Параметры полупроводников, используемых для производства транзисторов
В [Л] мы уже рассказывали о транзисторах, изготавливаемых из карбида кремния (SiC), относящегося к категории широкозонных полупроводников. В то же время наряду с ним в силовое оборудование стали внедрять транзисторы на нитриде галлия (GaN). В чем-то эти транзисторы конкурируют с решениями на основе SiC, в чем-то эти две ветви развития электроники занимают свои ниши.
В качестве материала для изготовления транзисторов нитрид галлия известен с 90-х годов. Но для транзисторов, применяемых в электро-энергетическом оборудовании, его интенсивное внедрение началось примерно в 2018 г. Это связано с развитием электромобилей и солнечной генерации. Среди компаний, выпускающих силовые транзисторы на нитриде галлия, - GaN Systems (Канада), EPC (Тайвань), Infineon (Германия), Nexperia (Нидерланды) и многие другие.
Работа в режиме насыщения
В установках электропитания обычно применяют МОП-транзисторы (аббревиатура расшифровывается как «металл-окисел-полупроводник», за рубежом применяется термин MOSFET), работающие в качестве ключей, прерывающих ток. При этом транзистор в процессе работы в идеале должен находиться только в одном из двух режимов - отсечки или насыщения.
Корпус транзистора GaN Systems GS66516T, способного выдерживать напряжение до 650 В и ток до 60 А, в сравнении с корпусом кремниевого прибора
Компактное зарядное устройство мощностью 100 Вт на GaN-транзисторах
В режиме отсечки ток прерывается, сопротивление между истоком и стоком составляет десятки МОм. При этом транзистор подобен выключателю с разомкнутыми контактами. Режим насыщения - это когда напряжение между истоком и стоком практически не зависит от силы тока, протекающего через транзистор. Сопротивление при этом можно считать близким к нулю, то есть транзистор в режиме насыщения подобен выключателю с замкнутыми контактами. В обоих указанных режимах мощность, рассеиваемая на транзисторе, очень мала и не вызывает его значительного нагрева.
Помимо режимов отсечки и насыщения у МОП-транзистора есть еще и третий режим - активный (иначе называемый линейным). В этом режиме наблюдается зависимость между напряжением сток-исток и током через канал транзистора, близкая к линейной. В активном режиме происходит рассеивание мощности, сопоставимое с мощностью нагрузки, в результате происходит нагрев полупроводникового прибора и потери электроэнергии.
Переход из режима отсечки в режим насыщения и обратно у реально существующих МОП-транзисторов всегда происходит через активный режим. Это связано с конечным быстродействием полупроводниковых приборов. После того, как транзистор «получил команду» выйти из режима насыщения, какое-то время требуется на рассасывание носителей заряда из канала.
Задача заключается в увеличении скорости рассасывания зарядов. Чем она выше, тем короче промежуток, в течение которого транзистор работает в активном режиме, нерационально тратя электроэнергию на нагрев. Уменьшить данный параметр можно двумя способами. Во-первых, уменьшить размеры кристалла. И во-вторых, применить полупроводниковый материал с большей подвижностью электронов. Оба способа можно применять как по отдельности, так и вместе. Например, силовые транзисторы на основе SiC могут иметь меньшее время рассасывания по сравнению с аналогичными кремниевыми, хотя подвижность зарядов в карбиде кремния ниже, чем в чистом кремнии. Дело в том, что высокая тепловая устойчивость SiC позволяет изготавливать кристаллы меньших размеров, чем у приборов из чистого кремния, при той же номинальной мощности.
А если выбрать материал с большей подвижностью зарядов? Обратимся к таблице, где сравниваются параметры полупроводниковых материалов. Рекордсменом по подвижности электронов является арсенид галлия (GaAs). Но он для силовой электроники неприменим из-за низкой теплопроводности (почти в 3 раза ниже, чем у кремния), что затрудняет отвод тепла от кристалла. К тому же GaAs не является широкозонным полупроводником.
Инвертор компании Transphorm на GaN мощностью 3,5 кВт, работающий на частоте 100 кГц
В то же время GaN сочетает в себе как высокую подвижность электронов, так и хорошую устойчивость к нагреву. По ширине запрещенной зоны этот материал даже немного превосходит карбид кремния. Таким образом, уменьшить время насыщения можно как за счет увеличения подвижности зарядов, так и за счет уменьшения размеров кристалла.
Скорость рассасывания зарядов для мощного GaN-транзистора, изготовленного по технологии E-HEMТ, составляет около 6 Кл/с против 0,6 Кл/с у SiC-транзистора и примерно 0,2 Кл/с у типичного кремниевого IGBT.
Управление GaN-транзисторами
Подобно кремниевым собратьям, МОП-транзисторы из нитрида галлия бывают нормально открытыми и нормально закрытыми. Нормально открытый вариант - когда при нулевом напряжении на затворе транзистора он полностью открыт, а для закрытия требуется подать отрицательное управляющее напряжение. Нормально закрытый вариант - при нулевом напряжении на затворе транзистор закрыт, для открытия подается положительное напряжение. Применительно к GaN нормально закрытые приборы считаются более продвинутым вариантом. Напряжение открытия для GaN-транзисторов составляет 6 В.
Российское производство
В России госкорпорация «Ростех» серийно выпускает мощные GaN-транзисторы, но они предназначены не для электроэнергетики, а для передатчиков базовых станций мобильной связи. Силовые транзисторы на нитриде галлия имеют иную конструкцию, такие отечественные изделия еще находятся в стадии разработки, которыми занимаются НИИ Микроэлектроники, г. Воронеж (входит в состав «Ростеха»), а также компания «Миландр», г. Москва
Для сравнения, большинство транзисторов на основе SiC требуют сигналы как положительной, так и отрицательной полярностей. Для открытия такого транзистора на затвор требуется подать напряжение от 20 до 25 В относительно истока. А вот закрытие, т. е. переход в режим отсечки, потребует подать на затвор напряжение -5 В. В итоге драйвер - узел, управляющий мощным транзистором, - для SiC получается сложным, дорогим и громоздким. В ноябре 2020 г. американская компания UnitedSiC начала серийный выпуск четвертого поколения МОП-транзисторов из карбида кремния, у которых напряжение открытия составляет +12 В, а напряжение закрытия равно нулю. Но такие транзисторы по ряду причин на момент написания статьи все еще не получили широкого распространения. Заметим, что даже силовые МОП-транзисторы из кремния требуют для открытия напряжения не менее 10 В, а у GaN-транзисторов это значение меньше. В итоге драйвер получается более дешевым и компактным, что является важным преимуществом по сравнению с SiC. Еще одна особенность - в отличие от МОП-транзисторов, выполненных из других материалов, напряжение открытия приборов из GaN очень слабо зависит от температуры кристалла. Поэтому сложные цепи температурной компенсации в драйвере не требуются.
Преимущества и недостатки GaN
Помимо более простого принципа управления, силовые GaN-транзисторы при развертывании их массового производства могут оказаться более технологичными по сравнению с SiC-приборами. Производство самого нитрида галлия уже хорошо освоено на примере светодиодов. Кроме этого, подложка SiC-транзисторов выполнена, как правило, из искусственного сапфира. А для GaN-приборов в качестве подложки используется обычный кремний.
К недостаткам транзисторов на GaN можно отнести меньшее рабочее напряжение. Так, массово выпускаемые транзисторы из нитрида галлия могут переключать напряжение до 650 В. Небольшими партиями выпускаются приборы на 1200 В. В то же время SiC-транзисторы массово производятся на напряжение до 3000 В, опытные образцы могут выдерживать до 15 кВ.
Теплопроводность GaN на 15 % меньше, чем у кремния, и почти в 4 раза ниже, чем у карбида кремния. Это означает, что в случае перегрева быстро отвести лишнее тепло от кристалла становится проблематичным.
Перспективным приложением для нитрид-галлиевых транзисторов являются электромобили
Поэтому транзисторы на основе GaN хуже выдерживают перегрузки, чем конкуренты, изготовленные из карбида кремния.
Применение
Основное использование GaN-транзисторов - всевозможные инверторы, а также преобразователи напряжения (в том числе типа DC-DC). Высокое быстродействие позволяет серийно производить мощные инверторы, работающие на частоте до 250 кГц. Известны опытные образцы таких инверторов, работающих на частоте 1 МГц. Для сравнения, инверторы на кремниевых транзисторах работают на частотах до 50 кГц, SiC - до 150 кГц. Чем выше частота, тем компактнее инвертор, поскольку уменьшаются размеры трансформаторов и дросселей. Поэтому GaN-транзисторам прогнозируют большое будущее в электромобилях.
Также GaN-приборы удобны для использования в солнечных электростанциях, устанавливаемых в частных домах. Компактный инвертор может быть размещен в непосредственной близости от солнечных панелей, установленных на крыше.
Наиболее известное бытовое применение силовых GaN-транзисторов - зарядное устройство, по размерам похожее на такой прибор для смартфонов, мощности которого (до 100 Вт) хватает и для зарядки ноутбука.
Уменьшение размеров преобразователя напряжения при использовании GaN относительно решений на SiC можно оценить в 1,5-2 раза, относительно чистого кремния - в 2-3 раза.
Выводы
Главное преимущество GaN-транзисторов - компактность аппаратуры, построенной с их использованием. Поэтому они найдут свое применение в электромобилях и устройствах индивидуального пользования (солнечные панели, накопители энергии, зарядные устройства). Также возможны корпоративные применения там, где оборудование для электропитания должно быть встроено в жестко заданные объемы (базовые станции мобильной связи, зарядные станции для электромобилей, системы управления трехфазными электродвигателями).
На объектах сетевой инфраструктуры, на крупных электростанциях, работающих от солнца и ветра, все же более подходящими являются транзисторы на карбиде кремния из-за их лучшей устойчивости к перегрузкам. Это разделение областей применения между двумя полупроводниковыми материалами вряд ли изменится под действием технического прогресса, поскольку в основе его лежат физические свойства материалов. При этом более простые в управлении GaN-транзисторы потенциально смогут найти применение и в нише, занимаемой сейчас кремниевой электроникой.