Технологии нитрид-галлиевых транзисторов уже давно перешли из разряда теоретических и перспективных в ранг реальных. На настоящий момент существует несколько успешных производителей таких силовых компонентов, например, NXP-Freescale, MACOM, Wolfspeed-Cree, Qorvo-RFMD-Triquint и т. д. Многие разработчики с радостью берутся использовать GaN в своих устройствах, но испуганно отказываются от этой затеи, как только узнают, что работа с ними отличается от работы с привычными кремниевыми транзисторами. Компания Xsystor предлагает контроллеры, которые позволяют управлять GaN-транзисторами с помощью обычной ТТЛ-логики, например, напрямую от микроконтроллера!
 |
|
| Рис. 1. | Контроллер GaN-транзисторов от Xsystor. |
Если спросить любого инженера-электронщика о преимуществах GaN-транзисторов, то он наверняка скажет об их малом удельном сопротивлении, высокой достижимой плотности тока, минимальных динамических потерях. Однако все это не приводит к лавинообразному отказу от кремниевых силовых элементов в пользу GaN. Почему? Ответ кроется в особенностях управления нитрид-галлиевыми транзисторами.
Во-первых, на сегодняшний день допустимое напряжение на затворе для GaN-транзисторов ограничено узким диапазоном. Например, для CLF1G0035-100 от NXP допустимое напряжение на затворе составляет всего -8…+3 В, а пороговое напряжение равно -2.4…-1.3 В. При этом сам по себе диапазон отрицательный и не вполне стандартный. Во-вторых, входной ток затвора (до 36 мА) больше, чем у кремниевых ключей. В-третьих, узкий диапазон требует аккуратности, чтобы обеспечить защиту транзисторов и не допустить их случайное защелкивание при переключениях.
Еще сложнее обстоит дело при использовании GaN-транзисторов в высокочастотных приложениях, когда требуется дополнительно формировать необходимое смещение, и обеспечивать правильную подачу напряжений.
Перечисленные проблемы очень часто отпугивают разработчиков электроники от использования нитрид-галлиевых транзисторов. Впрочем, стоит отметить, что производители не дремлют и предлагают различные решения. Одно из них принадлежит компании Xsystor.
Типовое приложение радиочастотного диапазона предполагает работу транзистора в ключевом режиме (Рис. 2). Сам транзистор усиливает входной высокочастотный сигнал. Очевидно, что диапазон входного сигнала не должен выходить за рамки допустимого диапазона напряжений затвора. Для этого на затвор подается напряжение смещения, которое формируется специальным контроллером. Именно такие контроллеры и предлагает Xsystor. Он принимает от микроконтроллера или генератора обычные логические сигналы (ТТЛ, КМОП) и преобразует их в сигнал смещения. Уровень смещения так же может быть настроен. Таким образом, модули контроллеров от Xsystor могут выступать как модуляторы или секвенсоры. В обоих случаях для питания GaN-транзистора требуется дополнительный внешний силовой ключ (или ключи), который бы подавал напряжение питания на сток GaN-транзистора. Компания Xsystor предлагает готовые модули силовых ключей, оптимизированные для работы с контроллерами Xsystor.
 |
|
| Рис. 2. | Схема управления GaN-транзистором для радиоприложений. |
Номенклатура Xsystor включает две серии контроллеров 100 и 200 (Рис. 3). Это модульные решения, представляющие из себя миниатюрные печатные платы, предназначенные для SMD монтажа на печатные платы пользователя.
 |
|
| Рис. 3. | Базовые версии контроллеров GaN-транзисторов серий 100 и 200 от Xsystor. |
100X/100T/100L и 200X/200T/200L – базовые серии контроллеров, которые имеют следующие ключевые особенности:
- Работа с напряжением питания до 80 В;
- Формирование выходного напряжения затвора GaN от -6 до 0 В. Для этого используются выходы PGA (для ШИМ) и FGA (для постоянного смещения). Подстройка напряжения затвора производится с помощью подачи напряжения на управляющий вход POT;
- Возможность работы в линейном режиме или ШИМ. Формирования постоянного (выход FGA) и модулируемого напряжения затвора (выход PGA);
- Защита GaN-транзистора от помех и импульсов при подаче напряжений питания;
- Формирование собственных уровней напряжений для логических и управляющих входов/выходов. Кроме того, в состав модулей входят дополнительные преобразователи -4.3 В (выход NTP) и +4.3 В (выход PTP);
- Функция управления внешним силовым MOSFET;
- Возможность температурной компенсации с помощью обратной связи от внешнего датчика температуры;
- Минимальные времена задержек от логических управляющих сигналов до включения/выключения GaN-транзисторов и MOSFET;
- Вертикальный (100T/100L/200T/200L) или горизонтальный (100X/200X) монтаж на печатной плате.
Базовые версии имеют исполнения для различных значений пороговых напряжений: 2.6 В (суффикс 2R6); 2.0 В (суффикс 2R0); 1.4 В (суффикс 1R4). Выбор зависит от типа используемого транзистора.
Отличие между сериями контроллеров 100 и 200 заключается в типе управляющего сигнала, подающегося на вход POT, который отвечает за уровень напряжения на затворе GaN-транзистора. В случае с серией 100 на вход POT подается отрицательное напряжение. Для этих целей удобно использовать выход встроенного инвертирующего инверсного преобразователя -4.3 В (NTP). Для серии 200 на вход POT следует подавать положительное напряжение, для этого удобно использовать выход встроенного преобразователя +4.3 В (PTP). В случае серии 200 задающее напряжение на входе POT дополнительно инвертируется.
Кроме базовых серий контроллеров 100X/100T/100L и 200X/200T/200L имеются серии с урезанной функциональностью:
120X/120T/120L и 220X/220T/220L – отсутствует возможность работы в режиме ШИМ. На затвор GaN-транзистора подается только фиксированное напряжение с выхода FGA.
122X/122T/122L и 222X/222T/222L – отсутствует возможность работы в режиме ШИМ и нет встроенного инвертирующего преобразователя напряжения.
124X/124T/124L и 224X/224T/224L – отсутствует возможность работы в режиме ШИМ, нет встроенного инвертирующего преобразователя напряжения и преобразователя логического уровня напряжения.
Как было сказано выше, в дополнение к контроллерам компания Xsystor предлагает ключевые модули на базе MOSFET, оптимизированные для работы с приведенными выше контроллерами. Существует две серии модулей 300 и 400. Они отличаются конфигурацией и электрическими характеристиками (Рис. 4).
 |
|
| Рис. 4. | Модули силовых ключей от Xsystor. |
Типовые схемы включения содержат непосредственно GaN-транзистор, контроллер серий 100 или 200, ключевой MOSFET модуль (Рис. 5). На рисунке 5А приведена схема, в которой GaN-транзистор и MOSFET работают в ключевом режиме. Для работы MOSFET в линейном режиме используется особая схема включения, рисунок 5Б. Для максимально высоких рабочих частот вместо одного силового MOSFET применяется комплементарная пара транзисторов (Рис. 5В).
 |
|
| Рис. 5. | Типовые схемы включения контроллеров GaN-транзисторов от Xsystor. |
Для схем, рисунок 5А и рисунок 5Б, временные диаграммы напряжений имеют одинаковый вид (Рис. 6). После подачи разрешающего сигнала от внешнего микроконтроллера/ генератора (GTL, DTL), происходит формирование открывающего напряжения силового MOSFET (DRV), в итоге на сток GaN-транзистора подается напряжение питания (DRA). После этого на затворе GaN формируется напряжение смещения PGA (определяется напряжением на входе POT). Входной высокочастотный переменный сигнал (RFIN) подается на затвор GaN и, усиливаясь, поступает на выход схемы (RFOUT).
 |
|
| Рис. 6. | Временные диаграммы типовой схемы включения (см. Рис. 5А). |
Таким образом, с помощью продуктов Xsystor можно создать ВЧ приложение, использующее все преимущества GaN-транзисторов, и при этом абсолютно не вникать в тонкости их работы.
Характеристики контроллеров 100X0 и 200X0:
- положительное напряжение питания: +28…+80 В;
- отрицательное напряжение питания (опционально): -6…0 В;
- сигнал управлений от микроконтроллера или генератора: -0.3…+4.0 В;
- диапазон напряжений затвора GaN-транзистора: -6…0 В;
- задержка/ время нарастания сигнала управления ON GaN - транзистора: 160/60 нс;
- задержка/ время спада сигнала управления OFF GaN - транзистора: 160/60 нс;
- пороговое напряжение затвора GaN-транзистора в неактивном состоянии: -2.6 В (100X02R6 и 200X02R6), -2.0 В (100X02R0 и 200X02R0), 1.4 В (100X01R4 и 200X01R4);
- выходной ток управления затвором внешнего кремниевого ключа: 300 мА;
- задержка/ время спада сигнала управления ON внешнего кремниевого ключа: 120/120 нс;
- задержка/ время нарастания сигнала управления OFF внешнего кремниевого ключа: 80/80 нс;
- диапазон рабочих температур: -40 °C … +85 °C.
О компании
Xsystor Inc.– компания, специализирующаяся на производстве модулей для защиты и управления GaN-транзисторами. Номенклатура продуктов компании включает два основных сегмента: контроллеры Ga-N транзисторов и модули силовых ключей. Контроллеры Ga-N транзисторов от Xsystor не только выполняют функции управления, но и могут работать в качестве секвенсора и модулятора.
Посмотреть подробные характеристики контроллеров Ga-N транзисторов от Xsystor
