Ontwerp van een compacte en efficiënte DC-DC convertor op basis van GaN HEMTs

Probleemstelling:


Hedendaagse vermogen-elektronische schakelingen maken bijna uitsluitend gebruik van silicium als halfgeleidend materiaal. De silicium-technologie bereikt echter langzaamaan zijn hoogtepunt. Wide-bandgap halfgeleiders zijn hét alternatief voor silicium voor componenten die elektrisch vermogen op efficiënte wijze moeten omzetten. Zowel siliciumcarbide (SiC) als galliumnitride (GaN) lijken over de beste papieren te beschikken: beide zijn wide-bandgap halfgeleiders (3.3 eV), halen een kritisch elektrisch veld dat een tienvoud is van silicium, hebben een hoge mobiliteit en saturatiesnelheid, en een relatief hoge thermische geleidbaarheid. Daarbij komt nog dat deze wide-bandgap materialen in principe geschikt zijn om bij hogere temperaturen te werken dan silicium. Al deze voordelen zorgen ervoor dat met SiC en GaN transistoren kunnen gemaakt worden die zeer hoge spanningen, zeer hoge stroomdichtheden en hoge bedrijfstemperaturen aankunnen, hetgeen van primordiaal belang is om zeer compacte, zeer snel schakelende en uiterst vermogen-efficiënte energie-omzetters te bouwen.

Binnen IMEC werkt men momenteel aan een geavanceerde technologie waarmee GaN HEMTs (High Electron Mobility Transistor) bovenop een grote silicium wafer kunnen worden gefabriceerd. In het kader van deze masterproef zal er met deze GaN HEMTs een compacte en efficiënte DC-DC convertor ontworpen en gebouwd worden.

Doelstelling:


Voor het schema-ontwerp kan vertrokken worden van een conventionele DC-DC boost of buck convertor architectuur. De traditionele silicium vermogentransistoren kunnen hierin evenwel niet zomaar vervangen worden door GaN HEMTs en wel om 2 bijzondere redenen. Ten eerste is het de bedoeling dat de GaN HEMTs schakelen aan veel hogere frequenties dan de silicium transistoren (enkele MHz in plaats van enkele honderden kHz). Bovendien zijn de GaN HEMTs doorgaans van het D-mode (Depletion-mode) type, wat betekent dat deze n-type transistoren een negatieve drempelspanning bezitten en dus een negatieve gate-spanning vereisen om afgeknepen te worden. Beide eigenschappen van de GaN HEMTs zorgen ervoor dat de klassieke gate-driver chips die normaal voor de aansturing van silicium transistoren worden aangewend, niet langer bruikbaar zijn. Bijgevolg zullen speciale driver circuits op basis van discrete componenten moeten worden ontworpen.

Na het eigenlijke schema-ontwerp van het circuit zal een bijhorende PCB gelayout en gefabriceerd worden, waarna de volledige convertor-schakeling kan worden gebouwd en uiteindelijk experimenteel geëvalueerd. De performantie van de verkregen schakeling zal worden vergeleken met de silicium tegenhangers op het vlak van compactheid, energetisch rendement en robuustheid.

Trefwoorden:

DC-DC convertor, GaN, HEMT, circuit ontwerp

Locatie:

Ardoyen CMST + thuis.