ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
29-apr-2020
2018/2019
La famiglia dei MOSFET in Silicio è stata per lunghi anni leader nel mercato delle tecnologie per applicazioni spaziali e in generale in quelle in cui è richiesta alta affidabilità.
Tuttavia, la tecnologia dei MOSFET in Silicio con il passare degli anni si sta sempre più avvicinando al suo limite teorico in cui lo scaling dei suoi parametri di merito portano ad effetti di secondo ordine che possono essere dannosi per il componente stesso e di conseguenza possono comprometterne l’affidabilità.
Da qui l’idea di cambiare la tecnologia dei transistor e passare ai WBG (wide bang gap semiconductor) e in particolare agli HEMT, famiglia a cui appartiene il GaN.
La tecnologia GaN nei transistor presenta numerosi vantaggi rispetto alla tecnologia Si in termini di efficienza, ingombro, velocità di commutazione, tolleranza alle radiazioni e parametri operativi come tensione di breakdown, capacità parassite, resistenza di canale e bandgap.
I GaN presentano un elevato bandgap che consente di avere una bassissima corrente di leakage e operare a temperature elevate, soprattutto quando presentano come substrato materiali con alta conducibilità termica come il SiC.
L’alta tensione di break down e l’alta densità di potenza consentono di operare a tensioni più alte e fabbricare dispositivi più piccoli riducendo l’ingombro.
La loro dimensione ridotta, insieme all’alta velocità di saturazione, consentono di lavorare a frequenze maggiori rispetto ai MOSFET senza incorrere in perdite di commutazione elevate in quanto le capacità parassite sono nettamente più basse rispetto a quelle dei MOSFET, oltre delle ridotte perdite di conduzione dovuta alle basse resistenze di canale (tuttavia raggiungibili anche nelle più recenti generazioni di MOSFET).
Le elevate frequenze di commutazione senza grosse perdite rendono i GaN di grande impiego anche nei sottosistemi satellitari a RF ed in generale, la loro tolleranza intrinseca alle radiazioni li rende molto appetibili in ambito spaziale rispetto ai più costosi MOSFET in Si di tipo Rad-Hard.
Ad essere un punto di svolta nel miglioramento dell’efficienza è l’assenza di carica di recupero inversa in quanto il canale a conduzione laterale di un dispositivo GaN è in grado di condurre in inversa senza la necessità del diodo di body. Infatti, in inversa, il GaN si comporta come un diodo però con tensione diretta V_F leggermente superiore a un tradizionale body diode.
La chiave per la conduzione dei dispositivi in GaN è la sua eterostruttura GaN/AlGaN:
grazie alle proprietà piezoelettriche dei suddetti materiali, viene creato un canale di carica 2DEG in cui viene trasportata corrente lateralmente e non verticalmente come un MOSFET di potenza.
Il GaN è un dispositivo a svuotamento o anche detto normally-ON e questo lo rende poco funzionale nell’elettronica di potenza se lasciato così inalterato.
Si ricorre infatti a un drogaggio di tipo p-GaN sul gate: questo accorgimento rende il dispositivo, non più a svuotamento, ma ad arricchimento: da qui la nomenclatura di enhancement mode GaN transistor (eGaN), utilizzato nell’elettronica di potenza. Quindi questo artificio fa sì che il GaN transistor diventi normally-OFF, come un transistor di potenza tradizionale.
Negli eGaN viene creata una tensione di soglia sotto la quale il dispositivo è spento. Tipicamente tale tensione di soglia V_T è più bassa rispetto a un MOSFET di potenza tradizionale: circa 1V rispetto ai 3.5-4V del MOSFET.
Inoltre, l’alto campo di break down, unito alla dimensione ridotta del dispositivo, fa si che la tensione di comando V_GSdebba essere tenuta bassa per non danneggiare il dispositivo. Questa maggiore delicatezza di questi dispositivi costituisce un punto a sfavore nel loro utilizzo.
Questo vuol dire che la fase di pilotaggio e la scelta del gate driver sia più curata e customizzata rispetto ai MOSFET classici.
Un aspetto critico dei MOSFET è quello di essere sensibile alle radiazioni, concetto che diventa fondamentale in ambito space.
Infatti, esistono MOSFET che vengono appositamente testati e qualificati per questo motivo, i cosiddetti Rad-Hard (radiation hardned). Questi ultimi vengono progettati e caratterizzati in modo da minimizzare e dettagliare le derive dei principali parametri operativi per effetto delle radiazioni come V_(DS,max) , V_(GS,max), I_(DS,max) e V_T. Nei MOSFET non Rad-Hard questi ultimi parametri potrebbero alterarsi in modo drammatico, ripercuotendosi severamente sul funzionamento dei circuiti nei quali i componenti vengono utilizzati.
Il problema dei componenti Rad-Hard è il costo molto elevato e gli alti tempi di approvvigionamento.
Ecco perché spesso si ricorre alla scelta di componenti commerciali cercando un trade-off, valutando se lo scostamento tra valore nominale e valore deviato per effetto delle radiazioni non comprometta le funzionalità principali del circuito implementato.
Il GaN in questo trade-off risulterebbe un’ottima soluzione:
In primis, il suo ampio bandgap e l’assenza dell’ossido di gate, che crea strati di trappole di lacune in superfice quando esposto a radiazioni, e poi la sua particolare etero struttura fanno sì che il GaN abbia una resistenza alle radiazioni molto elevata, a tal punto da somigliare ad un Rad-Hard in termini di scostamento da valori ideali ma con costi di gran lunga inferiori ad essi.
Per questo la chiave del futuro nelle applicazioni spaziali, specie dove in alcuni programmi si prevedono produzioni di serie, costellazioni e dove quindi il rispetto di budget economici del time to market è uno dei principali driver nella progettazione, possono essere i GaN.
La parte più sfidante risulta il pilotaggio. Infatti, laddove per i MOSFET in Silicio tutti i driver impongono una polarizzazione V_(GS,max)>10V, nel caso dei MOSFET GaN la tensione di polarizzazione sarebbe molto più bassa ed un driver tradizionale arriverebbe a causare fault irreversibili.
Fortunatamente, i gate driver, e in generale i componenti integrati, presentano conseguenze modeste, da valutare in base ai requisiti di progetto, ma mai distruttive durante l’esposizione alle radiazioni a differenza di quanto accade per i MOSFET.
Quindi per far sì che il GaN operi alla sua massima funzionalità bisogna garantire un pilotaggio adeguato scalando il valore di V_GS rispetto ai 10V di default, scegliendo driver commerciali che rispettino il requisito abbastanza stringente per non superare il massimo V_GS consentito e vedere come questo driver scelto si comporta sotto effetto di radiazioni.
In questa tesi, verrà mostrato il progetto e il test di un buck converter in tecnologia GaN che converte tensione da solar array al bus comune dei tutto il satellite e che rispetti i requisiti di progetto e gli standard ECSS per la progettazione avionica, utilizzando un controllore integrato della Linear Tecnology che funge sia gate driver per i transistor che da generatore di segnale PWM e control loop per la regolazione della tensione d’uscita. Inoltre, verrà fatto un confronto con i MOSFET mostrando i miglioramenti in efficienza anche a frequenze più alte rispetto a quelle tipicamente utilizzate con i MOSFET in Si.
Quest’ultima caratteristica in ottica di progettazione dà la possibilità di ridurre la dimensione dei custom magnetici e quindi risparmiare area e ridurre le capacità d’uscita.
A tale scopo, la scheda è stata progettata in maniera tale da far funzionare alternativamente MOSFET in Si e GaN sullo stesso PCB: la funzionalità alternativa è gestita da resistenze da zero ohm che sono montate e smontate a seconda del percorso da attivare/disattivare e quindi dei test da effettuare.
The MOSFET family has long been a leader in the space field market and in general in those where high reliability is required.
Hence the idea of changing the technology of transistors and moving on to WBG (wide bang gap semiconductor) and in particular to HEMT, a family to which the GaN belongs.
In transistors, GaN technology has numerous advantages over Si technology in terms of efficiency, size, switching speed and operating parameters such as breakdown voltage, parasitic capacitance, channel resistance and bandgap.
GaNs have a high bandgap which allows to have a very low leakege current and operate at high temperatures, especially when they have as substrate materials with high thermal conductivity such as SiC;
The high break-down voltage and high power density make it possible to operate at higher voltages and fabricate smaller devices while reducing area occupation.
Their reduced size, together with the high velocity saturation, allow working at higher frequencies than MOSFETs without incurring high switching losses as the parasitic capacitances are significantly lower than those of the MOSFETs, in addition to the reduced conduction losses due to the low channel resistance(however reachable even in the most recent MOSFET generations).
The high switching frequencies without large losses make the GaNs of great use also in RF satellite subsystems.
To be a turning point in improving efficiency is the absence of reverse recovery charge since the lateral conduction channel of a GaN device is able to conduct in reverse without the need for any body diode. In fact, in reverse, the GaN behaves like a diode but with a forward voltage Vf slightly higher than a traditional body diode.
The key for the conduction in GaN devices is its GaN / AlGaN eterostructure:
thanks to the piezoelectric properties of the aforementioned materials, a 2DEG charge channel is created in which current is carried laterally and not vertically as a power MOSFET.
The GaN transistor is a depletion device, also called normally-ON and this makes it not very functional in power electronics if left unaltered in such way.
In fact, p-GaN doping is used on the gate: this expedient turns the device into enhancement mode so that it’s no longer a depletion mode device: hence the nomenclature of enhancement mode GaN transistor(eGaN), used in power electronics. So this artifice causes the GaN transistor to become normally-OFF, like a traditional power transistor.
In the eGaN a threshold voltage is created below which the device is switched off. Typically this threshold voltage is lower than a traditional power MOSFET: about 1V compared to 3.5-4V of the MOSFET.
Furthermore the high break down field, together with the reduced size of the device, means that the maximum Vgs applicable to the gate must be kept low in order to not damage the device.
This means that the driving phase and the choice of the gate driver has to be more accurate and customized compared to the classic MOSFETs.
A critical aspect of MOSFETs is that they are very sensitive to radiation’s exposure, a concept that becomes fundamental in the space field application.
In fact there are MOSFETs specifically tested and qualified at this scope, the so-called RADHARD: these show very light deviations of the operating parameters affected by the effect of radiations such as Vds, max, Vgs, max, Ids, max and Vth from their ideal(datasheet) value, which otherwise would dramatically alter the functionality of the device.
The problem with RADHARDs is the very high cost and the low quantity of products available.
That’s why we often resort to choosing commercial components looking for a trade-off, evaluating whether the deviation between the ideal value and the modified value after the radiation effect does not compromise the reliability of the system.
The GaN in this trade-off becomes an excellent solution:
First, the absence of gate oxide, which creates layers of trap holes on the surface when exposed to radiation, and then its particular heterostructure make GaN have a very high radiation tollerance, to such an extent as to be look like a RADHARD in terms of deviation from ideal values but with costs far below theirs.
For this reason, given such performances, the key to the future in space applications that require high reliability and the lowest possible component replacement, hence low stress component, can be the GaN.
The most challenging part is the driving: In fact, for space applications all RADHARD drivers have Vgs> 10V that would damage the device, while typical maximum Vgs in GaN transistor doesn’t exceed 6V.
Fortunately, the radiation exposure have modest consequences in gate drivers, and in general integrated components, to be evaluated according to the project requirements, but never destructive outcomes unlike what happens for MOSFETs.
So, To ensure that the GaN operates at its maximum functionality, it is necessary to guarantee adequate driving by scaling the value of Vgs with respect to the 10V given by default, choosing commercial drivers that respect the strict enough requirement to not exceed the maximum allowed Vgs and see how this driver chosen behaves under the effect of radiations.
In this thesis will be shown the design and testing of a buck converter in GaN technology that respects the design requirements and the ECSS standards for space design, using an integrated controller of the Linear technology that acts as both a gate driver for transistors and as a PWM signal generator and control loop for output voltage regulation. Furthermore, a comparison will be made with the MOSFET technology, showing improvements in terms of efficiency even at higher frequencies than those typical of the space field.
This last feature in terms of design, gives the possibility of reducing custom magnetics and thus save area and reduce output capacitances.
For this purpose, the board has been designed in such a way as to alternately operate MOSFET and GaN on the same PCB: the alternative functionality is managed by the 0R0s which are mounted and disassembled according to the test to be performed