Questo articolo presenta la struttura innovativa del dispositivo BiGaN, illustra le prestazioni dei dispositivi BiGaN e analizza diverse configurazioni di driver per BiGaN.
Il blocco della tensione e la conduzione della corrente bidirezionali sono funzioni importanti per proteggere dalle sovratensioni porte USB, circuiti di commutazione per dispositivi alimentati da più sorgenti e interruttori di carico high-side. Finora i progettisti hanno potuto utilizzare a questo scopo solo due MOSFET di tipo N connessi dorso a dorso, in una configurazione con alimentazione comune. Questa soluzione richiede due componenti e risente dei limiti causati da resistenza in stato di accensione (on-resistance, RDS(on)), area operativa sicura (SOA) e altri parametri (Figura 1). L’interruttore bidirezionale al nitruro di gallio (BiGaN) di Innoscience è una soluzione innovativa che riduce la dissipazione di potenza e vanta un ingombro notevolmente ridotto.
Figura 1: L’utilizzo di MOSFET di tipo N connessi dorso a dorso per implementare il blocco della tensione bidirezionale comporta una soluzione relativamente ingombrante con limiti di prestazioni.
I limiti di integrazione legati all’uso dei MOSFET sono dovuti principalmente alla loro struttura verticale, che rende estremamente difficile posizionare due FET su un unico die con costi, RDS(on) e valori di tensione ottimizzati per dispositivi da circa 30 V e oltre. Grazie alle strutture laterali dei transistor a effetto di campo ad alta mobilità elettronica (HEMT) GaN e all’assenza di un diodo parassita, risulta invece relativamente semplice creare un interruttore GaN bidirezionale monolitico.
In uno smartphone, ad esempio, la sostituzione dei MOSFET dorso a dorso con un HEMT BiGaN riduce la resistenza in stato “on” del 50%, le dimensioni del chip del 70% e l’incremento di temperatura del 40%. Come si ottiene questo risultato?
Riduzione di perdite e ingombri
L’utilizzo di un interruttore per la protezione da sovratensioni (OVP) nel sistema di gestione della batteria di uno smartphone punta a ridurre le perdite totali mantenendo il minor ingombro possibile. In questa applicazione specifica, l’interruttore di potenza blocca la tensione o la corrente di conduzione senza bisogno di commutazioni frequenti fra i due stati. Pertanto, le perdite di commutazione dovute alla carica del gate non sono rilevanti. Le perdite totali sono determinate essenzialmente solo dalle perdite di conduzione e, quindi, dalla on-resistance totale del dispositivo.
Tradizionalmente, la funzionalità OVP viene realizzata con MOSFET discreti connessi dorso a dorso. Innoscience ha sviluppato e messo sul mercato la nuova tecnologia dei dispositivi BiGaN, caratterizzata da dimensioni di poco superiori a un normale HEMT GaN singolo. Questa tecnologia vanta una on-resistance nettamente inferiore e offre una soluzione più compatta rispetto all’uso di due dispositivi discreti in una configurazione di interruttore bidirezionale.
In un MOSFET tradizionale, RDS(on) è la resistenza fra drain e source quando il dispositivo è completamente acceso. Il valore corrispondente di un dispositivo BiGaN è RDD(on), cioè la resistenza fra due drain quando il dispositivo è completamente acceso. Per l’interruttore bidirezionale BiGaN da 40 V modello INN040W048A con corrente di drain di 20 A, il valore RDD(on) massimo è di soli 4,8 mΩ, che si traduce in perdite di conduzione ridottissime.
Il package può dare un contributo importante alla on-resistance. La struttura laterale dei dispositivi BiGaN consente di utilizzare un package WLSCP (Wafer Level Chip Scale Package) INN040W048A che misura solo 2,1 x 2,1 x 0,54 mm. Questo package offre una resistenza parassitica minima, contribuendo a ridurre le perdite di conduzione e la dissipazione termica. La sua compattezza garantisce inoltre eccellenti prestazioni “on-resistance*area” (Ron*A), fattore determinante per la miniaturizzazione del sistema. Infine, un unico dispositivo BiGaN sostituisce due MOSFET, contribuendo ulteriormente a ridurre gli ingombri e a semplificare la distinta base.
In generale, i clienti possono valutare diverse opzioni con i dispositivi BiGaN di Innoscience. Una prima opzione è mantenere gli spazi e gli ingombri esistenti, riducendo drasticamente il valore di on-resistance e, di conseguenza, limitando l’aumento di temperatura in fase di ricarica. In alternativa, il BiGaN di Innoscience assicura una forte riduzione degli ingombri per la funzione OVP, mantenendo una buona resistenza in stato di accensione e, quindi, una buona efficienza. La Figura 2 sintetizza i risultati ottenibili gestendo la potenza della batteria di uno smartphone con INN040W048A.
Figura 2: Valori percentuali dei miglioramenti apportati dalla nostra soluzione BiGaN nei telefoni cellulari.
SOA, dispersioni e robustezza
L’area operativa sicura (SOA) è un elemento importante nelle applicazioni di commutazione di carico. Questo parametro indica le combinazioni di tensione e corrente alle quali un dispositivo può operare senza subire danni o degrado delle prestazioni. I fattori che limitano la SOA sono il valore Ron e determinati aspetti del package e termici. Migliorare la SOA di un MOSFET in silicio è difficile a causa del coefficiente di temperatura negativo della tensione di soglia (Vth). Poiché nei dispositivi GaN il valore VTH è meno dipendente dalla temperatura, la tecnologia BiGaN riesce a mantenere prestazioni SOA superiori anche a temperature elevate.
Figura 3: SOA del dispositivo BiGaN INN040W048A: a) 25℃; b) 85℃
Le dispersioni sul gate sono un altro fattore importante nelle applicazioni di blocco di tensione bidirezionale. I MOSFET Si vantano ottime prestazioni di dispersioni sul gate. In questi dispositivi, il gate è isolato dal canale tramite un dielettrico di gate (ossido) che determina una dispersione inferiore al μA a 25 °C. Poiché il valore Vth del MOSFET Si diminuisce a temperature superiori, la corrente di dispersione aumenta a temperature elevate.
I dispositivi BiGaN hanno una struttura del gate intrinsecamente diversa, rappresentabile come due diodi connessi dorso a dorso (Figura 4). Il diodo superiore è una struttura Schottky dove il metallo del gate funge da catodo e il pGaN funge da anodo. Il diodo inferiore è una struttura di giunzione con un anodo pGan e un catodo AlGan. Senza un controllo adeguato, la dispersione del gate in un dispositivo BiGaN sarebbe superiore rispetto a quella di un MOSFET Si. Il team R&D di Innoscience ha sviluppato fasi di processo e controlli di processo distinti per garantire una dispersione inferiore a 3 μA a 85 °C per tutta la vita del dispositivo. Questo requisito era fondamentale per poter adottare la soluzione negli smartphone.
Figura 4: I diodi connessi dorso a dorso nella struttura del gate richiedono un controllo di processo rigoroso per raggiungere dispersioni inferiori a 3 μA a 85°C nei dispositivi BiGaN.
Tutti gli interruttori di potenza devono garantire l’affidabilità del gate e del drain. A 5,0 V (VGD) e 125 °C, la vita di un dispositivo BiGaN continuamente sotto stress, considerando un tasso di guasto dello 0,001% (10 ppm), supera i 23 anni. Nelle applicazioni attuali, si possono verificare picchi di tensione sul gate causati da eventi quali cortocircuiti. La capacità di generare impulsi di gate nei dispositivi BiGaN è pari a 10 milioni di cicli a ≤8,5 V con una larghezza di impulso di 1 µs, a 25 °C e 85 °C, e a 100.000 cicli a 9,5 V e 85 °C.
Figura 5: Robustezza del gate BiGaN: a) distribuzione di Weibull nella rottura del dielettrico (TDGB); b) modalità accelerazione gate
Per misurare la robustezza del drain, i dispositivi INN040W048A sono stati sottoposti a sollecitazioni continue di 68 V, 69 V e 70 V a 125 °C. La rottura del dielettrico del drain legata al tempo (TDDB) segue la distribuzione di Weibull e, adottando l’approccio più conservativo alla modellazione TDDB, si vede come, a 32 V (VDD) e 125 °C, la durata sulla base di un tasso di guasto dello 0,001% (10 ppm) per i BiGaN superi i 10.000 anni.
Figura 6: Robustezza del drain BiGaN: a) distribuzione di Weibull TDDB; b) modalità di accelerazione del drain
Controllo dei dispositivi BiGaN
Se la tensione di azionamento è 5 V, i driver esistenti utilizzati con i MOSFET Si dorso a dorso possono essere impiegati anche con la tecnologia BiGaN. Nel caso degli smartphone, la maggior parte dei circuiti integrati dei caricabatterie è compatibile con transistor HEMT GaN con gate drive da 5 V. Per il controllo dei BiGaN sono adatti driver come SC8571 di Southchip, NU2205 di NuVolta Tech, i driver con condensatori di commutazione di Texas Instruments e i circuiti integrati per gestione di potenza (PMIC) di Qualcomm.
La tensione del gate deve essere almeno Vth (~1.7 V) superiore a Drain1 o Drain2 per accendere un dispositivo BiGaN. Per spegnerlo e bloccare il flusso di corrente in entrambe le direzioni, entrambe le tensioni dal gate al drain (VGD1 and VGD2) devono essere inferiori a Vth. Collegando il gate al ground (terra), il dispositivo BiGaN si spegne. Nelle applicazioni a 5 V si può utilizzare una pompa di carica per azionare il BiGaN (Figura 7). La tensione del gate sarà zero quando EN è basso e il BiGaN sarà spento. Quando EN è alto, la tensione del gate verrà pompata a VIN + 5 V e il BiGaN sarà ON e VOUT sarà pari a VIN.
Figura 7: Nelle applicazioni a 5 V si può utilizzare una pompa di carica con un IC con gate driver standard da 5 V per accendere e spegnere i dispostivi BiGaN.
In applicazioni diverse dagli smartphone non vengono utilizzati solitamente IC con gate driver da 5 V. Tali applicazioni usano driver con una tensione di circa 10 V studiati per ottenere il valore RDS(on) più basso possibile dai MOSFET Si. Questi driver non possono essere utilizzati per azionare direttamente HEMT GaN perché la tensione di azionamento supera il valore nominale massimo del gate. In queste applicazioni si può usare un circuito a morsetti con diodi Zener (D1 e D2) per collegare VGD a una tensione inferiore a 6 V (Figura 8). I diodi D4 e D5 hanno tensioni di rottura superiori a 40 V per ottenere il bloccaggio da drain a gate.
Figura 8: Un circuito morsettato con diodi Zener consente di azionare dispositivi BiGaN con i gate driver con tensione maggiore solitamente utilizzati per i MOSFET Si.
Conclusione
La disponibilità di dispositivi GaN-on-Si ad alte prestazioni e basso costo ha favorito lo sviluppo di dispositivi BiGaN che possono migliorare il funzionamento dei circuiti di commutazione per dispositivi come gli smartphone con diversi alimentatori, gli interruttori di carico high-side, le protezioni da sovratensioni sulle porte USB e applicazioni simili. Come mostrato, la tecnologia BiGaN è affidabile e facile da usare. Negli smartphone, BiGaN può supportare la ricarica rapida contenendo l’aumento della temperatura rispetto alle soluzioni con MOSFET Si dorso a dorso. Inoltre, la compattezza delle soluzioni BiGaN consente di incorporare i dispositivi nell’apparecchio invece che nel caricatore, per controllare la ricarica della batteria e le correnti di scarica. Rimuovendo questa funzione dal caricatore si possono realizzare caricatori più compatti. BiGaN è una tecnologia rivoluzionaria che apre la strada a nuovi paradigmi di progettazione.
di Thomas Zhao, Director of R&D; David Zhou, Vice-President of R&D; Felix Wang: Vice-President of Product Development; e Dott. Jan Šonský, Vice-President of Engineering, Innoscience
