Стеганография и ML. Или что нам подарили генеративно-состязательные сети (GAN)?
Стеганография – это наука о тайной передаче информации путем сокрытия самого факта передачи. А само слово стеганография происходит от греч. στεγανός «скрытый» + γράφω «пишу» и буквально обозначает «тайнопись». В этой области, как и во многих других, особенно в последние годы получили широкое распространение методы машинного обучения, в частности, генеративно-состязательные сети (GAN).
Далее в меню:
- Традиционная стеганография для чайников
- Что такое GAN и с чем их едят?
- Так как же применяются GAN?
- Будущее GAN: что нас ждет в стеганографии?
Традиционная стеганография для чайников
С древних времен классическая стеганография используется людьми в качестве средства секретного общения: невидимые чернила, тибетская поэзия и многое другое. Современная стеганография для сокрытия сообщения использует электронные коммуникации и цифровые технологии. Каждая современная стегосистема состоит из двух основных компонентов: алгоритмов внедрения и извлечения. Так, алгоритм внедрения принимает на вход секретное сообщение, секретный ключ и контейнер, которые будут использоваться для передачи сообщения. Результатом его работы является стегосообщение.
Сообщением, в общем случае, может быть что угодно: текст, изображение, аудиоданные и так далее. К каждому типу данных разрабатываются свои подходы для сокрытия. Так в текстовой стеганографии используются допущения при расположении и количестве символов в тексте, не учитываемые при прочтении человеком. Например, одним из методов является форматирование. Его суть состоит в раздвижке строки путем увеличения пробелов между словами, когда один пробел соответствует, например, биту 0, а два пробела — биту 1. Или в сетевой стеганографии скрытая информация передается через компьютерные сети с использованием особенностей работы протоколов передачи данных. Типичные методы сетевой стеганографии включают изменение свойств одного из сетевых протоколов. Мы в дальнейшем будем рассматривать только стеганографию в изображениях, соответственно будем называть передаваемые стегосообщения стегоизображениями.
Обобщенная модель стегосистемы может быть представлена как проблема заключенного с тремя участниками, что показано на рисунке 1 Алиса и Боб содержатся в отдельных камерах. Конечно же, им разрешено общаться друг с другом, однако все их коммуникации контролируются надзирателем Венди. В современной стеганографии каждый канал между Алисой и Бобом содержит пять элементов: контейнер, алгоритм внедрения / извлечения сообщения, ключи, секретное сообщение и канал связи.
Контейнер – это любая информация, предназначенная для передачи тайных сообщений. Стегоключ или просто ключ — секретный ключ, необходимый для сокрытия информации. Как и в криптографии ключ может быть секретным или открытым.
Основное требование состоит в том, что стегоизображение должно быть неотличимо от исходного изображения или набора исходных изображений.
Безопасность в свою очередь зависит от методов доступных злоумышленнику. В зависимости от работы Венди, она может быть активной или пассивной надзирательницей. Если Венди только проверяет, является ли стегоизображение обычным или «модифицированным» при передаче по каналу, то ее называют пассивным надзирателем. Если Венди может извлекать уроки из предыдущих атак и накопить знания о стегосистеме, то она будет активным смотрителем. В таком случае она могла бы попытаться немного изменить передаваемые объекты или обнаружить наличие скрытой связи.
Многие статьи по стеганографии посвящены пассивному режиму надзирателя. Но, как показывает практика, Венди обычно выполняет как активные, так и пассивные обязанности. Согласно принципу Керкгоффса, систем безопасности Венди полностью знает алгоритм, который могут использовать Алиса и Боб.
В случае активного надзирателя безопасность обычно связывается со сложностью извлечения сообщений. В случае пассивной атаки ключевой проблемой безопасности стеганографии является тонкая грань, по которой сложно отличить исходное изображение и стегоизображение. Это понятие включает в себя малозаметные как для человеческого зрения, так и для машинного статистического анализа отличия.
В стеганографии изображений выделяются три различные фундаментальные архитектуры в соответствии с различными способами получения стегоизображения.
1) Модификация изображения
В основном существует два типа подходов к стеганографии путем модификации. Первый тип связан с поддрежкой статистической модели, а второй – реализует встраивание в результате минимизации конкретной функции искажения.
2) Селекция изображения
Селекция изображения — это выбор подходящего контейнера и он связана с двумя основными подходами. Первый — выбрать изображение-кандидат для модификации. В этом методе нужно найти подходящий контейнер для модификации в базе данных. Хотя эти методы называются выбором изображения, они по сути представляют собой модификацию с некоторым дополнительным этапом. Но мы в дальнейшем не будем этот метод рассматривать как самостоятельный. Другой подход выбор контейнера в качестве стегоизображения без модификации. При этом подходе важно установить правила сопоставления между сообщением и стегоизображением.
3) Синтезирование изображения
Третья стратегия основана на синтезе изображений. И здесь наша Алиса (стеганограф) пытается создать новое изображение, которое содержит необходимую информацию. Поскольку синтез реалистичного изображения представляет собой сложную проблему, традиционный метод решает задачи стеганографии с помощью создания «неестественных» изображений, таких как текстуры или изображения отпечатка пальца.
Что такое GAN и с чем их едят?
Генеративно-состязательная сеть (Generative adversarial network, сокращенно GAN) — алгоритм машинного обучения без учителя, построенный на комбинации из двух нейронных сетей. В 2014 году ее впервые представили Google. В системе GAN одна из сетей генерирует образцы, а другая старается отличить «подлинные» образцы от неправильных.
Генеративная сеть, используя набор переменных латентного пространства, всегда пытается слепить новый образец, смешав несколько исходных образцов. Дискриминативная сеть D обучается различать подлинные и поддельные образцы. При этом ее результаты подаются на вход генеративной сети G так, чтобы она смогла подобрать лучший набор латентных параметров, и дискриминативная сеть уже не смогла бы отличить подлинные образцы от поддельных. Как видим, целью сети G является повысить процент ошибок сети D, а целью сети D является, наоборот, улучшение точности распознавания.
GAN нашли прекрасное применение в компьютерном зрении и в обработке естественного языка (в генерации изображений и текстов). Но при этом и стеганографию не обошли стороной.
Так как же применяются GAN?
Возможности GAN можно рассматривать с разных сторон: состязательная игра, генератор или функция отображения. Они согласуются с классификацией основных стратегий в стеганографии, то есть модификации, синтеза и селекции.
1) Модификация изображения
Модификация изображения основанная на GAN фокусируется на состязательной игре между стеганографом и стеганализатором. Данный метод использует генератор, обученный для построения различных «ключевых» элементов. Выделяют три основныее стратегии.
Создать стегоизображние
Денис Волхонский, Иван Назаров и Евгений Бурнаев предложили сконструировать генератор для создания стегоизображения. Этот подход позволяет создавать более защищенное от стеганализа стегосообщение, которое может передавать сообщения с использованием стандартных алгоритмов стеганографии. По сути, они представили генеративно-состязательную сеть, состоящую из трех сетей: генератор G, дискриминатор D и классификатор S стеганализа.
Классификатор S определяет, скрывает ли реалистичное изображение секретную информацию.
Создать матрицу вероятности модификации
Примером служит ASDL-GAN для автоматического изучения функции искажения. Эта схема действует в традициях современной стеганографии и минимизирует функцию аддитивного искажения. Сама матрица вероятностей изменения получается путем минимизации математического ожидания функции искажения. Генератор G в их схеме обучается узнавать вероятности изменения P входного изображения.
Состязательная игра
Третья стратегия предполагает прямое использование состязательной игры между тремя ее участниками (Алиса, Боб, Венди) для изучения алгоритма модификации. Метод ADV-EMB, который пытается изменить изображение для скрытия сообщения, обманывая классификатор стеганализа.
В этом подходе пиксели «изображения-кандидата» делятся на две группы, одна группа пикселей используется для модификации, а вторая группа пикселей — для создания возмущений с целью противостоять анализатору.
2) Селекция изображения
Стеганография на основе GAN селекции направлена на установление взаимосвязи между сообщением и стегоизображением. По этой тема, однако, не так много источников, хотя в некоторых работах предпринимаются отдельные попытки в этом направлении.
Одна из идей состоит в том, что отправитель устанавливает вид отображения, используя генератор между сообщением и выбранным изображением. Для получателя сообщение создается непосредственно из выбранного изображения. Суть этого метода состоит в установлении взаимосвязи между изображением и секретным сообщением, чтобы контейнер естественным образом превратился в стегоизображение. Статистический стеганографический анализ не работает, потому что непосредственно сама операция модификации не осуществляется.
3) Синтезирование изображения
Изображение обычно создается с помощью передобученного генератора и здесь предлагаются несколько стратегий
Обучение с учителем
Здесь авторы используют нейронную сеть, чтобы изучить алгоритм с состязательным обучением, в рамках которого три игрока (Алиса, Боб и Ева) представляют собой нейронные сети.
Алиса использует контейнер и секретное сообщение для создания стегоизображения, а Боб пытается восстановить сообщение. Ева извлекает вероятность P наличия секретного сообщения на изображении. При этом Алиса пытается добиться баланса, при котором вероятность для Евы получить изображение с секретным сообщением оказывается 1/2. (то есть Ева уже просто произвольно пытается угадать исход). В этом алгоритме вводится три функции потерь, за которые отвечают Алисе, Бобу и Еве соответственно.
Обучение без учителя
Стеганография без эмбеддинга
В данном методе секретные сообщения преобразуются в вектор шума, отправляемый генератору в качестве входных данных для создания стегоизображения.
Сначала генератор G обучается с некоторым набором данных. После этого получается генератор, который может создавать реалистичные изображения. Во время второй фазы экстрактор E обучается с помощью функции потерь при извлечении сообщения. Цель этого этапа — восстановить сообщение из созданного стегоизображения.
На последнем этапе отправитель устанавливает связь между шумом и сообщением, а секретное сообщение и векторы шума сегментируются для создания отображения. Получатель может использовать экстрактор для восстановления вектора шума, и затем секретное сообщение получается с помощью полученного отображения.
Стеганография WGAN-GP
В данном подходе экстрактор сообщений и генератор стегоизображений обучаются одновременно. WGAN-GP адаптирован для генерации стегоизображения с более высоким качеством. Согласно предложенному методу, Генератор G обучается входе минимакс игры (правило принятия решений для минимизации возможных потерь из тех, которые лицу, принимающему решение, нельзя предотвратить при развитии событий по наихудшему для него сценарию), чтобы соревноваться с Дискриминатором (D) и Экстрактором (E).
Обучение с частичным привлечением учителя
Стеганография ACGAN
Чтобы осуществить частичное обучение, надо добавить вспомогательную сеть для конкретной задачи в исходную GAN. Этот метод устанавливает взаимосвязь между метками классов сгенерированных изображений и секретной информацией, причем метки классов и шум напрямую вводятся в генератор для создания стегоизображения. На этапе извлечения сообщения стегоизображение подается в дискриминатор для получения фрагментов секретной информации.
Стеганография с ограниченным семплированием
В этом случае операция встраивания сообщения становится проблемой выбора изображения. В статье создание стегоизображения рассматривается как проблема минимизации расстояния между исходным изображением и стегоизображением.
Стеганография с помощью CycleGAN
Некоторые исследователи рассматривают синтез стегоизображения как проблему «image-to-image» перевода. Очень известной моделью для перевода изображений является CycleGAN. Эта модель учиться преобразовать изображение из класса X в класс Y, путем минимизации состязательной функции потерь и функции потерь согласованности цикла. В статье утверждается, что CycleGAN можно рассматривать как процесс кодирования для сокрытия информации.
Будущее GAN: что нас ждет в стеганографии?
Методы, основанные на GAN крайне интересны и перспективны для стенографии. В настоящее у этого подхода есть три основных направления развития. Будущее GAN: что же нас ждет в стеганографии?
Вместимость
В методах таких как GAN-CSY нестабильность генерируемых пикселей приводит к низкой точности извлечения сообщений. В других методах сообщение не существует в своем привычном виде, а является атрибутом категории или вектором шума. Недостаток состоит в том, что сообщения в существующих методах включают в себя не очень много информации. Таким образом, одно из направлений, требующих внимания, это повышение стабильности и увеличение объёма передаваемых данных.
Оценка качества изображения
Трудно количественно оценить качество синтетических изображений. В области синтеза изображений критерии оценки сгенерированных изображений недостаточно надежны.
Некоторые методы, использующие ручную оценку, являются субъективными и не имеют объективных критериев оценки. Текущие критерии оценки это в основномIS (Inseption Score) и FID (Frechet Inception Distence). Эти оценки учитывают только подлинность и качество изображения. Так что, поиск подходящих оценок все еще остаются важной и неразработанным направлением исследований.
Стеганализ
Задача стеганализа разделена на два этапа. Первый этап – это экспертиза изображений, которая покажет, является ли изображение поддельным. Второй этап – это стеганализ изображения, который определяет, содержит ли сгенерированное изображение секретное сообщение. В настоящее время изображения, генерируемые GAN, неразличимы для
человеческого глаза. В традиционной стеганографии существует множество методов для экспертизы изображений для того, чтобы различать естественные изображения и сгенерированные. Но в будущем с развитием описанных подходов станет сложно определить, является ли изображение сгенерированным или нет. Соответственно повышение эффективности стеганализа следует признать наиболее перспективным направлением.
Здесь всё, что вы хотели знать о GaN-зарядках, но боялись спросить
Количество аксессуаров от Apple поражает воображение: до сих пор в продаже есть самый простой адаптер, которого больше нет в комплекте с iPhone, еще есть блок от iPad, вышедшая недавно зарядка на 20 Вт и даже мощная для MacBook. При этом сторонние производители давно начали выпускать компактные и надежные решения, позволяющие не переживать за безопасность устройства во время зарядки. У GaN-адаптеров есть свои преимущества, поэтому Apple планирует выпустить такую же. Сегодня разберемся, что такое GaN-зарядка, чем она лучше обычной и почему ее стоит купить.
Apple готовит GaN-зарядку для двух устройств
Что такое GaN зарядка
Один из читателей нашего Телеграм-чата на днях похвастался отличным гаджетом из своего арсенала: компактным адаптером на 120 Вт, который способен зарядить сразу несколько устройств. Он не только компактный, но и легкий, поэтому идеально подходит для путешествий и поездок, когда необходимо зарядить сразу несколько гаджетов. Это и есть GaN-зарядка.
GaN-зарядки изготовлены на основе другого материала. Вот что о нем известно
В ее основе лежит нитрид галлия — инновационный полупроводниковый материал, ставший популярным в 90-х годах благодаря производству светодиодов. Этот элемент используется не только в производстве адаптеров, но и в DVD и Blu Ray-плеерах. Именно GaN считают наиболее практичным материалом, способным заменить кремний, который используется сейчас во многих областях. Согласно прогнозам, с 2006 года производство GaN-транзисторов увеличилось, а современные технологии позволяют создавать их на том же оборудовании, на котором делают и кремниевые.
Чем GaN зарядка лучше обычной
Преимущества нитрид галлия по сравнению с кремнием в том, что он более энергоэффективен и надежен. Так GaN выдерживает более высокое напряжение и, соответственно, обладает повышенным диапазоном температур, чем кремний. А это значит, что и такой гаджет прослужит намного дольше.
Вот такой компактный GaN-адаптер у нашего читателя
Производители даже отмечают, что материал способен проводить электроны в 1000 раз более эффективно, чем кремний, обладая более низкими затратами на производство. В результате ток проходит через GaN-элемент быстрее, чем через кремниевый. Благодаря этому, для GaN-адаптера требуется меньше материала, а само устройство получается меньше и компактнее. Вот, какие преимущества GaN-зарядок стоит отметить еще.
- Многофункциональность GaN-зарядок: в них, как показано на фото от читателя, можно разместить больше разъёмов, за счет чего не придется возить с собой дополнительные адаптеры.
- GaN-зарядки не так сильно нагреваются: все это благодаря свойствам нитрида галлия, который меньше подвержен тепловыделению. Кроме того, он безопасен в использовании.
- Низкая цена на GaN-зарядки. Пока, конечно, с этим есть некоторые проблемы — технология новая и только набирает популярность, но в будущем цены на аксессуары должны стать более демократичными за счет меньшего числа компонентов.
GaN зарядка Apple
Казалось бы, компания Apple, любящая инновационный подход во всем, должна первой внедрить эту технологию для смартфонов. Но смысл? Из-за надежности GaN-зарядок в Купертино их не спешат создавать. Подумайте сами, какой смысл их выпускать, если можно штамповать обычные зарядники на основе кремния, которые время от времени выходят из строя, хоть это и происходит крайне редко. Тем не менее, пока Apple имеет лишь GaN-адаптер для MacBook на 140 Вт с одним разъёмом, а версии для смартфонов пока оставила на откуп сторонним компаниям, среди которых Belkin, Anker и знакомый нам Baseus.
Вот такую зарядку готовит Apple. Купите?
Правда, не так давно стало известно, что Apple выпустит GaN-адаптер на 35 Вт: его нашли журналисты 9to5mac в разделе техподдержки. Документ пропал с сайта после публикации, а это можно рассматривать как косвенное подтверждение. Позже в Сеть просочились снимки нового адаптера Apple с двумя разъёмами 35 Вт: в теории, два iPhone от него быстро не зарядить, но можно одновременно подключить iPhone и Apple Watch. Что ж, и так сойдет.
Какую GaN-зарядку выбрать
В целом, выбрать GaN-зарядку невероятно просто. Достаточно лишь решить для себя, какая мощность вам необходима и сколько гаджетов вы планируете заряжать одновременно.
Адаптер от Baseus позволит зарядить сразу 2 устройства на высокой мощности
Можно присмотреться к вариантам от Baseus: такой адаптер на 45 Вт позволит заряжать сразу два гаджета, в комплекте также должен быть кабель длиной 1 метр. В целом, цена оправдывает себя: грубо говоря, зарядка, возможно, проживет даже дольше, чем ваш iPhone.
Два разъёма — хорошо, три — лучше!
Также можно присмотреться к улучшенной версии этого блока питания, в котором сразу три разъёма (два из которых Type-C), а мощность составляет уже 65 Вт, что позволит заряжать MacBook Air или несколько более мелких гаджетов.
Зачем мелочиться, когда можно подсоединить чуть ли не все устройства к одной розетке?
А еще есть вот такой классный зарядник от Ugreen: выдает сразу 100 Вт и имеет 4 разъёма, из которых два верхних USB-C могут работать с мощностью 100 Вт поочередно, а остальные — по 22,5 Вт. Цена выглядит очень привлекательной, поэтому надо брать.
❗️ Напоминаем, что еще больше GaN-зарядок для iPhone и других устройств вы можете найти в Телеграм-канале «Сундук Али-Бабы»
На днях стало известно о том, что Apple прекращает выпуск iPod. Решили вспомнить, что особенного в этом гаджете и почему нам будет его не хватать.
Мощные нитрид-галлиевые транзисторы (GaN) от EPC – конец эры кремния?
До недавнего времени преимущества силовых транзисторов на нитриде галлия перед кремниевыми было невозможно реализовать на практике из-за того, что в обычных условиях они являются нормально-открытыми. Благодаря разработанной компанией EPC технологии производства нитрид-галлиевой ячейки стало возможным наладить выпуск нормально-закрытых изделий. Перспективные приложения для eGaN®FET – DC/DC-преобразователи для различных приложений, усилители мощности класса D, инверторы, системы беспроводной передачи мощности, лидары, системы подстройки питания ВЧ-усилителей (Envelope Tracking), системы с повышенной температурной и радиационной стойкостью.
Рынок силовых компонентов является чрезвычайно насыщенным и отличается жесточайшей конкуренцией. Новая компания может выйти на него только при наличии революционных идей. И такая прорывная идея есть у Efficient Power Conversion (EPC). За семь лет работы компания EPC смогла решить сложнейшие технологические проблемы и наладить серийный выпуск GaN-транзисторов с улучшенной структурой – eGaN® FET, которые уже теснят стандартные силовые кремниевые MOSFET в целом ряде приложений.
Рынок силовых полупроводников является растущим сегментом электроники [1]. По оценкам экспертов, в 2012 году его объем превысил 12 миллиардов долларов (рисунок 1).
Рис. 1. Структура рынка силовых полупроводниковых элементов
В настоящий момент подавляющая часть рынка остается за кремниевыми полупроводниками. Однако за последние несколько лет началось резкое увеличение доли силовых элементов, построенных на основе нитрида галлия (GaN) и карбида кремния (SiC). Прогнозируемый объем продаж GaN- и SiC-транзисторов к 2016 году составит $500 млн. Это стало возможным за счет появления молодых, агрессивных производителей, которые сумели в сверхкороткие сроки не только разработать необходимые технологии, но и начать серийное производство данных компонентов.
Ярким примером такой компании является Efficient Power Conversion (EPC) [2]. Компания была основана одним из создателей первого MOSFET-транзистора Алексом Лидовым, который долгое время работал в International Rectifier (IR). В 2007 году он ушел с поста исполнительного директора IR и совместно с тайваньским бизнесменом Арчи Хваном (Archie Hwang) организовал EPC. При этом для ведения научных исследований были наняты специалисты, занимавшиеся разработками GaN-транзисторов в International Rectifier. Компания за несколько лет сумела решить все технические проблемы и создать уникальную структуру транзисторов eGaN® FET. Это позволило EPC стать лидером данного сегмента рынка.
Сейчас EPC обладает широкой номенклатурой продуктов, которая включает:
- около сорока дискретных eGaN FET;
- шесть интегральных сборок полумостовых схем eGaN FET;
- два законченных силовых модуля DrGaNPLUS;
- более 40 отладочных наборов;
- более десяти демонстрационных наборов.
При разговоре о GaN-транзисторах у большинства разработчиков может возникнуть множество вопросов. В чем причина выбора именно GaN? Почему столь бурное развитие началось только сейчас? Каковы характеристики полученных серийных образцов? Где находятся области их применения? Имеет ли данная технология перспективы развития?
В данной статье даются ответы на перечисленные вопросы, проводится обзор номенклатуры eGaN FET-компонентов и средств разработки производства компании EPC.
GaN – новое или хорошо забытое старое?
Победное шествие силовых кремниевых полупроводников длится уже более трех десятилетий – с момента появления в конце 70-х силового MOSFET. Долгое время кремний не имел конкурентов, так как другие известные полупроводники (германий и селен) значительно уступали ему практически по всем важным показателям. Позже полупроводниковые свойства были открыты и у новых материалов – арсенида и нитрида галлия, карбида кремния, и тому подобных.
Впрочем, нужно отметить, что, например, GaN не является таким уж «новым». Впервые его особые свойства были обнаружены еще в 1975 году Т. Мимурой, а их подробное исследование было выполнено в 1994 году М. Канном.
Эти исследования показали, что GaN – гораздо более перспективный материал, чем кремний (таблица 1) [3].
Таблица 1. Характеристики некоторых полупроводниковых материалов
Параметр | Материал | ||
GaN | Si | SiС | |
Ширина запрещенной зоны, эВ | 3,4 | 1,12 | 3,2 |
Критическая напряженность, МВ/см | 3,3 | 0,3 | 3,5 |
Дрейфовая скорость насыщения электронов, x107 см/с | 2,5 | 1 | 2 |
Подвижность, см2/(В•с) | 990…2000 | 1500 | 650 |
Диэлектрическая проницаемость | 9,5 | 11,4 | 9,7 |
Высокая критическая напряженность поля у GaN дает потенциальную возможность реализовывать более высоковольтные приборы. Большая ширина запрещенной зоны обеспечивает высочайшую стабильность свойств при изменении температуры или воздействии радиации, что чрезвычайно важно в первую очередь для космической и военной электроники, а также для устройств, работающих в жестких условиях.
Высокая подвижность электронов и дрейфовая скорость определяют значительно меньшее сопротивление в проводящем состоянии и высокую удельную мощность, по сравнению с Si.
Весьма показательным является анализ зависимости удельного сопротивления от напряжения пробоя для различных полупроводников (рисунок 2) [4]. Для каждого из них эта характеристика практически линейная. Однако при одном и том же значении напряжения сопротивление GaN оказывается значительно ниже.
Рис. 2. Зависимость удельного сопротивления от напряжения пробоя для различных полупроводников
В результате GaN-транзисторы имеют на порядок большую удельную мощность, что должно приводить к значительному уменьшению габаритов по сравнению с традиционными кремниевыми элементами, и в лабораторных опытах это было убедительно доказано.
К сожалению, между лабораторными опытами и серийным промышленным производством очень часто лежит непреодолимая пропасть. В случае использования GaN наряду с преимуществами было огромное число недостатков и проблем как технологического, так и коммерческого характера.
Базовая структура GaN-транзистора: простота и сложность в одном флаконе
Рассмотрим самую простую традиционную ячейку GaN-транзистора (рисунок 3а) [4]. На кремниевой подложке выращивается защитный слой AlN. На нем формируется гетероструктура GaN/AlGaN. Далее создаются защитный диэлектрический слой и электроды.
Рис. 3. Традиционная ячейка а) GaN-транзистора и б) eGaN® FET производства EPC
GaN и AlGaN имеют полярную природу. По этой причине уже в процессе роста на их границе происходит спонтанная поляризация с образованием поверхностных зарядов. Кроме того, GaN обладает выраженными пьезоэлектрическими свойствами. Под действием деформации и механических напряжений он дополнительно поляризуется. Так как решетки GaN и AlGaN имеют рассогласование, то такие напряжения неизбежно возникают на границе их раздела [3].
В результате процессы поляризации вызывают формирование заряда в виде двухмерной плоскости (двухмерный электронный газ, 2DEG) [3].
Если на электроды стока и истока такой базовой ячейки подать напряжение, то начнет протекать ток, даже если напряжение на затворе равно нулю. Таким образом данный прибор является нормально открытым.
Чтобы прекратить протекание тока на затвор, необходимо подать отрицательное напряжение относительно истока (рисунок 3а).
Вполне очевидно, что такой транзистор весьма неудобен в использовании. Во-первых, чтобы избежать выгорания схемы, необходимо до включения основного питания обеспечить выключение транзистора. А во-вторых — необходимо иметь дополнительный источник отрицательного напряжения.
На этом проблемы с «простой» ячейкой не заканчиваются. Дело в том, что представленная структура имеет чрезвычайно упрощенный вид. На самом деле она гораздо сложнее.
Для эффективного отвода тепла от слоя GaN необходимо наличие подложки, а все стандартные материалы (Si, SiC, сапфир) имеют рассогласование кристаллических решеток с GaN. Чтобы снизить механические напряженности, вводят дополнительные согласующие слои. Аналогично добавляются и слои между другими разнородными материалами ячейки. В результате структура оказывается сложной [3].
Дополнительные проблемы вносит тот факт, что готовых решений не существует и необходимо проводить затратные исследования для выявления оптимальных материалов, толщины слоев и так далее.
Здесь в дело вступает коммерческий или, в каком-то смысле, «политический» аспект. Дело в том, что никто не спешит выделять средства на новые разработки в то время как есть готовые отточенные и выверенные до нанометров кремниевые технологии. Гиганты отрасли не горят большим желанием вкладываться в такие проекты, тем более гарантий их коммерческого успеха нет. И здесь в дело вступили молодые и амбициозные компании, одной из которых является EPC.
Остановимся подробнее на основных технологических решениях, предложенных EPC, и проведем краткий анализ полученных результатов.
Структура eGaN® FET от EPC – все гениальное просто
Инженеры EPC проявили высочайшую трудоспособность, результатом которой стало фантастически быстрое решение всех озвученных выше проблем.
Во-первых, была предложенная улучшенная структура ячейки транзистора, которая получила название eGaN® FET (Enhancement Mode) (рисунок 3б). Фундаментальные изменения коснулись формирования затвора и подзатворной области [4].
В этой ячейке под затвором формируется обедненная область AlGaN, поэтому поляризации GaN не происходит и формируется разрыв области электронного газа 2DEG.
Транзистор оказывается нормально закрытым прибором. Чтобы сформировать проводящий канал между стоком и истоком, необходимо приложить к затвору положительное напряжение относительно истока. В итоге работа eGaN абсолютно идентична работе обычного N-MOSFET!
Стоит сказать, что представленная структура является максимально упрощенной. Реальная ячейка имеет гораздо более сложный вид. Однако все технологические проблемы были решены, что сделало возможным серийный выпуск eGaN FET.
Появление серийных образцов дает абсолютную свободу для сравнения характеристик новых транзисторов и их кремниевых предшественников. Постараемся в таблице 2 дать объективный анализ с указанием достоинств и недостатков представителей каждой из технологий [5].
Таблица 2. Качественное сравнение силовых ключей 100 В
Параметр | Типовой кремниевый MOSFET 100 В | eGaN EPC2022 100 В |
Rси откр., мОм | единицы-десятки | 2,4 |
Изменение сопротивления Rси откр. при изменении температуры 125°C/25°C | 2,2 | 1,4 |
Энергия на переключения | высокая | низкая |
Время восстановления обратного диода | большое | отсутствует |
Пороговое напряжение Uзи пор., В | 2…4 | 0,7…2,5 |
Изменение Uзи пор. при изменении температуры 125°C/25°C | 0,66 | 1 |
Максимальное напряжение Uзи, В | ±20 | -1,5 |
Рабочая температура, °C | 150 | 150 |
Входное сопротивление затвора Rg, Ом | несколько | 0,3 |
Входной ток Iзи | несколько нА | 1 мА |
Сопротивление открытого канала канала Rси откр, мОм – одна из важнейших характеристик, определяющих потери на ключе. Типовое значение сопротивления близко для серийных образцов обоих транзисторов, но здесь следует сделать несколько замечаний.
Во-первых, как было сказано выше, GaN имеет более стабильные характеристики. Для него значение Rси в диапазоне температур 25…125°C меняется примерно в 1,4 раза. Сопротивление же MOSFET меняется более чем в 2,2 раза.
Во-вторых, зависимость сопротивления от максимального рабочего напряжения для GaN значительно слабее, чем у MOSFET. Это связано с тем, что увеличение длины канала «Сток-Исток» не так критически сказывается на величине сопротивления. Например, сопротивление 30 В транзистора EPC2023 составляет 1,3 мОм, а 200 В транзистора EPC2034 – всего 10 мОм.
Емкость С, пФ, определяет быстродействие транзистора. Предложенная плоская структура eGaN FET имеет минимальные значения емкостей CGD и CDS. Это позволяет коммутировать напряжения в сотни вольт с гигагерцевой частотой и снижать габариты преобразователей напряжения.
Пороговое напряжение Uзи пор., В, составляет для GaN всего 0,7…2,5 В, с первого взгляда это является достоинством из-за сокращения потерь мощности на управлении, но это, к сожалению, не так из-за больших входных токов. Кроме того, низкое Uзи пор. уменьшает стойкость транзистора к изменениям dv/dt.
Важно отметить, что максимальное значение напряжения на затворе GaN-транзистора составляет, как правило, всего +6 В/-4 В.
Входное сопротивление затвора Rg, Ом, определяет скорость перезаряда входной емкости. Для GaN данное сопротивление достаточно мало, что приводит к высокому быстродействию и улучшению защиты dv/dt. В то же время значения входных токов увеличиваются, а значит – растет и мощность управления.
Обратный диод. Предложенная схема GaN-транзистора не имеет обратного диода как такового. Однако есть механизм обратной проводимости, который выполняет его функцию. При этом интересен тот факт, что при обратном направлении тока не происходит накопления неосновных носителей, в отличие от MOSFET. А это значит, что потери на восстановление обратного диода отсутствуют.
Таким образом eGaN FET-транзистор имеет отличные электрические характеристики, но все еще уступает MOSFET в плане удобства управления. Поэтому на настоящий момент данный тип силовых ключей будет иметь преимущество перед MOSFET не всегда. Тем не менее, уже сейчас можно выделить перспективные приложения для eGaN FET: DC/DC-преобразователи для различных приложений, усилители мощности класса D, инверторы, системы беспроводной передачи мощности, лидары, системы подстройки питания ВЧ-усилителей (Envelope Tracking), системы с повышенной температурной и радиационной стойкостью.
В качестве демонстрации преимуществ использования eGaN FET можно привести результаты опытных испытаний [6]. Были построены и исследованы DC/DC-преобразователи 12 В/1,2 В с рабочей частотой 1 МГц и 48 В/12 В с рабочей частотой 300 кГц (рисунок 4). Из графиков видно, что при увеличении рабочих частот и выходных токов преимущество eGaN FET перед MOSFET возрастает. Наилучшие результаты продемонстрировали GaN-транзисторы четвертого поколения: для первого преобразователя максимальный КПД составил более 91%, а для второго – более 98%. Это значительно выше показателей альтернативного DC/DC на MOSFET-ключах.
Рис. 4. Результаты сравнительных испытаний DC/DC-преобразователей
Стоит отметить, что EPC постоянно совершенствует технологии и конструкцию своих элементов. За семь лет было создано четыре поколения силовых компонентов. Сейчас выпускаются представители двух поколений: Gen2 и Gen4, которые имеют обратную совместимость с более ранними разработками.
Обзор номенклатуры eGaN FET от EPC
Линейку силовых компонентов производства компании EPC составляют три основные группы:
- дискретные силовые eGaN FET;
- eGaN FET для ВЧ-приложений;
- интегральные сборки eGaN FET.
Все эти элементы выпускаются в LGA-корпусах (рисунок 5).
Рис. 5. Примеры корпусных исполнений дискретных eGaN® FET
Группа дискретных eGaN FET объединяет в себя представителей двух поколений транзисторов с рабочими напряжениями 30…450 В (таблица 3).
Таблица 3. Дискретные eGaN® FET общего назначения
Наименование | Uси макс., В | Uзи макс., В | Rси (вкл) макс., мОм, при Uзи = 5 В | Qз тип., нК | Qзи тип., нК | Qзс тип., нК | Iс, А | Iс имп., А | Tj макс., °C | LGA-корпус, мм |
EPC2023 | 30 | 6 | 1,3 | 20 | 5,8 | 1,9 | 60 | 590 | 150 | 6,1х2,3 |
EPC2024 | 40 | 6 | 1,5 | 19 | 6,4 | 2 | 60 | 550 | 150 | 6,1х2,3 |
EPC2030 | 40 | 6 | 2,4 | 18 | 5,2 | 3,4 | 31 | 495 | 150 | 4,6х2,6 |
EPC2015C | 40 | 6 | 4 | 8,7 | 3 | 1,4 | 36 | 235 | 150 | 4,1х1,6 |
EPC2015 | 40 | 6 | 4 | 10,5 | 3 | 2,2 | 33 | 150 | 150 | 4,1х1,6 |
EPC2014C | 40 | 6 | 16 | 2 | 0,7 | 0,3 | 10 | 60 | 150 | 1,7х1,1 |
EPC2014 | 40 | 6 | 16 | 2,5 | 0,67 | 0,48 | 10 | 40 | 150 | 1,7х1,1 |
EPC2020 | 60 | 6 | 2 | 16 | 5 | 2 | 60 | 470 | 150 | 6,1х2,3 |
EPC2031 | 60 | 6 | 2,6 | 17 | 5,2 | 3,2 | 31 | 450 | 150 | 4,6х2,6 |
EPC2035 | 60 | 6 | 45 | 0,88 | 0,25 | 0,16 | 1 | 24 | 150 | 0,9х0,9 |
EPC2021 | 80 | 6 | 2,5 | 15 | 3,8 | 2,1 | 60 | 420 | 150 | 6,1х2,3 |
EPC2029 | 80 | 6 | 3,2 | 13 | 4 | 2,5 | 31 | 360 | 150 | 4,6х2,6 |
EPC2022 | 100 | 6 | 3,2 | 13 | 3,7 | 2 | 60 | 360 | 150 | 6,1х2,3 |
EPC2032 | 100 | 6 | 4 | 14 | 4,2 | 3,1 | 31 | 340 | 150 | 4,6х2,6 |
EPC2001C | 100 | 6 | 7 | 7,5 | 2,4 | 1,2 | 36 | 150 | 150 | 4,1х1,6 |
EPC2001 | 100 | 6 | 7 | 8 | 2,3 | 2,2 | 25 | 100 | 125 | 4,1х1,6 |
EPC2016C | 100 | 6 | 16 | 3,4 | 1,1 | 0,55 | 18 | 75 | 150 | 2,1х1,6 |
EPC2016 | 100 | 6 | 16 | 3,8 | 0,99 | 0,7 | 11 | 50 | 125 | 2,1х1,6 |
EPC2007C | 100 | 6 | 30 | 1,6 | 0,6 | 0,3 | 6 | 40 | 150 | 1,7х1,1 |
EPC2007 | 100 | 6 | 30 | 2,1 | 0,52 | 0,61 | 6 | 25 | 125 | 1,7х1,1 |
EPC2036 | 100 | 6 | 65 | 0,7 | 0,17 | 0,14 | 1 | 18 | 150 | 0,9х0,9 |
EPC2033 | 150 | 6 | 7 | 10 | 3,5 | 1,7 | 31 | 260 | 150 | 4,6х2,6 |
EPC2018 | 150 | 6 | 25 | 5 | 1,3 | 1,7 | 12 | 60 | 125 | 3,6х1,6 |
EPC2034 | 200 | 6 | 10 | 8,5 | 2,6 | 1,4 | 31 | 140 | 150 | 4,6х2,6 |
EPC2010C | 200 | 6 | 25 | 3,7 | 1,3 | 0,7 | 22 | 90 | 150 | 3,6х1,6 |
EPC2010 | 200 | 6 | 25 | 5 | 1,3 | 1,7 | 12 | 60 | 125 | 3,6х1,6 |
EPC2019 | 200 | 6 | 50 | 1,8 | 0,6 | 0,35 | 8,5 | 42 | 150 | 2,7х0,95 |
EPC2012C | 200 | 6 | 100 | 1 | 0,3 | 0,2 | 5 | 22 | 150 | 1,7х0,9 |
EPC2012 | 200 | 6 | 100 | 1,5 | 0,33 | 0,57 | 3 | 15 | 125 | 1,7х0,9 |
EPC2025 | 300 | 6 | 150 | 1,85 | 0,61 | 0,3 | 4 | 20 | 150 | 1,95х1,95 |
EPC2027 | 450 | 6 | 400 | 1,7 | 0,6 | 0,25 | 4 | 12 | 150 | 1,95х1,95 |
Все представленные силовые ключи имеют малое сопротивление. Рекордное Rси составляет 1,3 мОм для EPC2023 – ключа 30 В. При этом зависимость сопротивления от рабочего напряжения внутри данного сегмента оказывается не такой сильной, как в MOSFET.
Максимальные среднеквадратичные токи данной группы элементов в большинстве случаев составляют десятки ампер, а импульсные токи – десятки и сотни. Несмотря на столь внушительную мощность, все транзисторы выполнены в миниатюрных корпусах, наиболее крупным из которых является LGA 6,1×2,3 мм, а наиболее компактным – LGA 0,9×0,9 мм (рисунок 5).
Группа eGaN FET EPC800x предназначена для работы в субгигагерцевом диапазоне. Именно в ВЧ-приложениях GaN-транзисторы с самого начала завоевали господствующее положение.
Они – отличный выбор при построении приложений с жесткими режимами переключения силовых ключей и рабочими частотами от десятков до сотен МГц.
В настоящее время доступны EPC800x с рабочими напряжениями 40…100 В (таблица 4). Корпусное исполнение для всех представителей группы одинаково – LGA 2,1×0,85 мм (рисунок 5).
Таблица 4. eGaN® FET для ВЧ-приложений
Наименование | Uси макс., В | Uзи макс., В | Rси вкл. макс., мОм, при Uзи = 5 В | Qз тип., нК | Qзи тип., нК | Qзс тип., нК | Iс, А | Iс имп., А | Tj макс., °C | LGA-корпус, мм |
EPC8004 | 40 | 6 | 110 | 0,37 | 0,12 | 0,047 | 2,7 | 7,5 | 150 | 2,1х0,85 |
EPC8007 | 40 | 6 | 160 | 0,302 | 0,097 | 0,025 | 2,7 | 6 | 150 | 2,1х0,85 |
EPC8008 | 40 | 6 | 325 | 0,177 | 0,067 | 0,012 | 2,7 | 2,9 | 150 | 2,1х0,85 |
EPC8009 | 65 | 6 | 130 | 0,37 | 0,12 | 0,055 | 2,7 | 7,5 | 150 | 2,1х0,85 |
EPC8005 | 65 | 6 | 275 | 0,218 | 0,077 | 0,018 | 2,7 | 3,8 | 150 | 2,1х0,85 |
EPC8002 | 65 | 6 | 530 | 0,141 | 0,059 | 0,0094 | 2* | 2 | 150 | 2,1х0,85 |
EPC8010 | 100 | 6 | 160 | 0,36 | 0,13 | 0,06 | 2,7 | 7,5 | 150 | 2,1х0,85 |
EPC8003 | 100 | 6 | 300 | 0,315 | 0,11 | 0,034 | 2,7 | 5 | 125 | 2,1х0,85 |
Основными приложениями для EPC800x стали системы подстройки питания ВЧ-усилителей (Envelope Tracking) и системы беспроводной передачи мощности.
Рис. 6. Внутренняя схема eGaN® FET-сборок
Группа интегральных сборок eGaN FET содержит шесть компонентов с рабочими напряжениями 30…100 В (таблица 5). Все сборки представляют собой полумостовые схемы (рисунок 6).
Интегральные сборки eGaN FET могут иметь симметричную и несимметричную структуру (рисунок 7) [7].
В симметричной конфигурации размеры кристаллов транзисторов обоих плеч равны. Соответственно, сопротивление верхнего и нижнего ключей одинаковы. Такая схема подходит для усилителей класса D, приводов электродвигателей, в которых оба транзистора имеют равный нагрузочный диапазон.
В асимметричной конфигурации размер кристалла верхнего транзистора примерно в четыре раза меньше, чем нижнего. Их сопротивления также оказываются разными. Такая асимметрия выгодна, например, для DC/DC-преобразователей, работающих при малых длительностях импульсов, при больших разностях между входным и выходным напряжением. В таких случаях нижний ключ оказывается нагруженным значительно больше.
Таблица 5. Интегральные сборки eGaN® FET общего назначения
Наименование | Тип | Uси макс., В | Uзи макс., В | Rси вкл. макс., мОм, при Uзи = 5 В | Qз тип., нК | Qзи тип., нК | Qзс тип., нК | Iс, А | Iс имп., А | TJ макс., °C | LGA-корпус, мм |
EPC2100 | Асимметричный | 30 | 6 | 8; 2 | 3,5; 15 | 1,4; 4,6 | 0,57; 2,6 | 9,5; 38 | 100; 400 | 150 | 6,1х2,3 |
EPC2101 | Асимметричный | 60 | 6 | 11,5; 2,7 | 2,7; 12 | 1; 3,7 | 0,50; 2,5 | 9,5; 38 | 80; 350 | 150 | 6,1х2,3 |
EPC2102 | Симметричный | 60 | 6 | 4,4 | 6,8 | 2,3 | 1,4 | 23 | 215 | 150 | 6,1х2,3 |
EPC2105 | Асимметричный | 80 | 6 | 14,5; 3,5 | 2,5; 10 | 1; 3,2 | 0,50; 2 | 9,5; 38 | 75; 320 | 150 | 6,1х2,3 |
EPC2103 | Симметричный | 80 | 6 | 5,5 | 6,5 | 2 | 1,3 | 23 | 195 | 150 | 6,1х2,3 |
EPC2104 | Симметричный | 100 | 6 | 6,3 | 7 | 2 | 1,2 | 23 | 165 | 150 | 6,1х2,3 |
Рис. 7. Доступные конфигурации eGaN® FET-сборок производства EPC
Использование интегральных сборок вместо дискретных компонентов может быть выгодно по ряду причин. Во-первых, удается создать более компактные решения. Во-вторых, сборка имеет минимальные значения паразитных индуктивностей, что дает дополнительные преимущества на более высоких частотах (рисунок 8) [7].
Рис. 8. Преимущество eGaN® FET-сборок на высоких частотах
Для управления eGaN FET, имеющего ряд особенностей, необходимо использовать специальные драйверы.
Драйверы eGaN FET
Драйверы eGaN FET должны не только формировать соответствующие управляющие токи и напряжения, но и иметь дополнительные особенности. Это относится и к используемым контроллерам.
Во-первых, они должны иметь повышенные рабочие частоты. Во-вторых, отличаться минимальными собственными потерями. В-третьих, включение и выключение транзисторов должно осуществляться с безопасными уровнями dv/dt и di/dt.
Чтобы избежать проблем, компания EPC составила список рекомендуемых микросхем управления (таблица 6). Сейчас наиболее оптимальным является использование драйверов LM5113 и LM5114 производства компании Texas Instruments.
Таблица 6. Рекомендуемые драйверы и контроллер eGaN® FET
Наименование | Функционал | Производитель | Описание |
LM5113 | Драйвер | Texas Instruments | 5 А, 100 В полумостовой драйвер eGaN FETs |
LM5114 | Драйвер | Texas Instruments | 7,6 A одноканальный драйвер нижнего ключа |
UCC27611 | Драйвер | Texas Instruments | 4 А/ 6 А высокоскоростной 5 В одноканальный драйвер |
ADP1851 | Контроллер | Analog Devices | Понижающий контроллер 2,75 В/20 В |
ISL6420 | Контроллер | Intersil | Синхронный понижающий контроллер 4,5 В/16 В |
LM27403 | Контроллер | Texas Instruments | Синхронный понижающий контроллер 3 В/20 В |
LTC3833 | Контроллер | Linear Technologies | Понижающий контроллер 4,5 В/38 В |
LTC3891 | Контроллер | Linear Technologies | Синхронный понижающий контроллер с низким потреблением 60 В |
MAX15026B | Контроллер | Maxim | Синхронный понижающий контроллер 4,5 В/28 В |
MCP19118/19 | Контроллер | Microchip | Понижающий ШИМ-контроллер 4,5 В/40 В |
SC419 | Контроллер | Semtech | Понижающий контроллер с интегрированным диодом 3 В/28 В |
TP253219A | Контроллер | Texas Instruments | Синхронный понижающий контроллер 4,5 В/25 В |
TPS40490 | Контроллер | Texas Instruments | Понижающий ШИМ-контроллер 4,5 В/60 В |
UCC24610 | Контроллер | Texas Instruments | Синхронный понижающий контроллер для вторичной обмотки |
Важно понимать, что создание мощных преобразователей и ВЧ-приборов требует большого мастерства и повышенного внимания [8]. Для минимизации ошибок на первых этапах при разработке логично использовать готовые решения.
Средства отладки и разработки от EPC
Рис. 9. Внешний вид готовых модулей DrGaNPLUS
Компания EPC предоставляет разработчикам всю необходимую информационную поддержку: документацию на компоненты, модели (PSPICE, TSPICE, LTSPICE), библиотеки посадочных мест для Altium Designer, тепловые модели. Однако большое количество тонкостей может привести к возникновению недочетов или даже ошибок при проектировании. Чтобы избежать этого, а также быстро освоить новые приборы, следует воспользоваться готовыми решениями:
- отладочными платами;
- демонстрационными наборами;
- законченными модулями DrGaNPLUS.
Отладочные платы eGaN FET (таблицы 7, 8) представляют собой готовые печатные платы с полумостовой схемой, драйвером, необходимыми дополнительными пассивными компонентами и логикой. Практически для каждого eGaN FET имеется своя отладочная плата. Это касается как дискретных транзисторов и интегральных сборок (таблица 7), так и eGaN FET для ВЧ-приложений (таблица 8).
Таблица 7. Отладочные платы eGaN® FET общего назначения
Наименование | Описание | Uси макс., В | Iс макс., А | Тип транзистора |
EPC9036 | Отладочная схема на базе интегрального полумоста | 30 | 25 | EPC2100 |
EPC9031 | Полумостовая схема с драйвером | 30 | 40 | EPC2023 |
EPC9018 | Полумостовая схема с драйвером для приложений с минимальным коэффициентом заполнения | 30 | 35 | EPC2015/EPC2023 |
EPC9016 | Полумостовая схема с драйвером для приложений с минимальным коэффициентом заполнения | 40 | 25 | EPC2015 |
EPC9032 | Полумостовая схема с драйвером | 40 | 35 | EPC2024 |
EPC9005C | Полумостовая схема с драйвером | 40 | 7 | EPC2014C |
EPC9005 | Полумостовая схема с драйвером | 40 | 7 | EPC2014 |
EPC9001 | Полумостовая схема с драйвером | 40 | 15 | EPC2015 |
EPC9037 | Отладочная схема на базе интегрального полумоста | 60 | 22 | EPC2101 |
EPC9038 | Отладочная схема на базе интегрального полумоста | 60 | 20 | EPC2102 |
EPC9033 | Полумостовая схема с драйвером | 60 | 30 | EPC2020 |
EPC9049 | Полумостовая схема с драйвером | 60 | 4 | EPC2035 |
EPC9046 | Полумостовая схема с драйвером | 80 | 22 | EPC2029 |
EPC9034 | Полумостовая схема с драйвером | 80 | 27 | EPC2021 |
EPC9041 | Отладочная схема на базе интегрального полумоста | 80 | 20 | EPC2105 |
EPC9039 | Отладочная схема на базе интегрального полумоста | 80 | 17 | EPC2103 |
EPC9019 | Полумостовая схема с драйвером для приложений с минимальным коэффициентом заполнения | 80 | 20 | EPC2001/EPC2021 |
EPC9040 | Отладочная схема на базе интегрального полумоста | 100 | 15 | EPC2104 |
EPC9035 | Полумостовая схема с драйвером | 100 | 25 | EPC2022 |
EPC9006 | Полумостовая схема с драйвером | 100 | 5 | EPC2007 |
EPC9010C | Полумостовая схема с драйвером | 100 | 7 | EPC2016C |
EPC9010 | Полумостовая схема с драйвером | 100 | 7 | EPC2016 |
EPC9050 | Полумостовая схема с драйвером | 100 | 2,5 | EPC2036 |
EPC9002 | Полумостовая схема с драйвером | 100 | 10 | EPC2001 |
EPC9047 | Полумостовая схема с драйвером | 150 | 12 | EPC2033 |
EPC9014 | Полумостовая схема с драйвером | 200 | 4 | EPC2019 |
EPC9017 | Полумостовая схема с драйвером для приложений с минимальным коэффициентом заполнения | 100 | 20 | EPC2001 |
EPC9013 | Отладочная схема четырех параллельных полумостовых схем | 100 | 35 | EPC2001 |
EPC9004C | Полумостовая схема с драйвером | 200 | 3 | EPC2012C |
EPC9004 | Полумостовая схема с драйвером | 200 | 3 | EPC2012 |
EPC9014 | Полумостовая схема с драйвером | 200 | 4 | EPC2019 |
EPC9003C | Полумостовая схема с драйвером | 200 | 5 | EPC2010C |
EPC9003 | Полумостовая схема с драйвером | 200 | 5 | EPC2010 |
EPC9042 | Полумостовая схема с драйвером | 300 | 3 | EPC2025 |
EPC9044 | Полумостовая схема с драйвером | 400 | 1,5 | EPC2027 |
Таблица 8. Отладочные платы eGaN® FET для ВЧ-приложений
Наименование | Описание | Uси макс., В | Iс макс., А | Тип транзистора |
EPC9024 | Полумостовая схема с драйвером | 40 | 4,4 | EPC8004 |
EPC9027 | Полумостовая схема с драйвером | 40 | 3,5 | EPC8007 |
EPC9028 | Полумостовая схема с драйвером | 40 | 2,2 | EPC8008 |
EPC9022 | Полумостовая схема с драйвером | 65 | 1,6 | EPC8002 |
EPC9025 | Полумостовая схема с драйвером | 65 | 2,2 | EPC8005 |
EPC9029 | Полумостовая схема с драйвером | 65 | 3,5 | EPC8009 |
EPC9023 | Полумостовая схема с драйвером | 100 | 2,2 | EPC8003 |
EPC9030 | Полумостовая схема с драйвером | 100 | 3,2 | EPC8010 |
В качестве наглядного примера компания EPC выпускает целую группу демонстрационных наборов: понижающих преобразователей, наборов беспроводной передачи мощности, усилителей класса D (таблица 9).
Таблица 9. Демонстрационные наборы eGaN® FET
Наименование | Описание | Uвх, В | Uвых, В | Iс макс, А | Тип транзистора |
EPC9101 | Понижающий преобразователь 19 В/1,2 В, 1 МГц | 8…19 | 1,2 | 18 | EPC2015/EPC2014 |
EPC9102 | Понижающий преобразователь 48 В/12 В | 36…60 | 12 | 17 | EPC2001 |
EPC9105 | Понижающий преобразователь 48 В/2 В, 1,2 МГц | 36…60 | 12 | 30 | EPC2001/EPC2015 |
EPC9106 | 150 Вт/8 Ом аудиоусилитель класса D | – | – | – | EPC2016 |
EPC9107 | Понижающий преобразователь 28 В/3,3 В | 9…28 | 3,3 | 15 | EPC2015 |
EPC9111 | Демонстрационный набор беспроводный передачи энергии, соответствующий требованиям A4WP | 8…32 | Uвх | 10 | EPC2014 |
EPC9112 | Демонстрационный набор беспроводный передачи энергии соответствующий требованиям A4WP | 8…32 | Uвх | 6 | EPC2007 |
EPC9115 | Понижающий преобразователь 48 В/12 В | 48…60 | 12 | 42 | EPC2020/EPC2021 |
EPC9118 | Понижающий преобразователь 48 В/5 В, 400 кГц | 30…60 | 5 | 20 | EPC2001/EPC2021 |
EPC9506 | Демонстрационная плата беспроводного усилителя класса D | 8…32 | Uвх | 10 | EPC2014 |
EPC9507 | Демонстрационная плата беспроводного усилителя класса D | 8…32 | Uвх | 6 | EPC2007 |
EPC9508 | Демонстрационная плата беспроводного усилителя класса D | 7…36 | Uвх | 3 | EPC8009/EPC2007 |
Особо стоит отметить модули DrGaNPLUS. Они представляют собой миниатюрные платы, предназначенные для непосредственного встраивания в готовые устройства. Их габариты составляют всего 11×12 мм (рисунок 9). Рабочее напряжение составляет 30 В (EPC9201) или 80 В (EPC92013) (таблица 10).
Таблица 10. Характеристики готовых модулей DrGaNPLUS
Наименование | Описание | Uси макс., В | Iс макс., А | Тип транзистора |
EPC9201 | Полумостовая схема на дискретных транзисторах | 30 | 20 | EPC2015/EPC2023 |
EPC9203 | Полумостовая схема на дискретных транзисторах | 80 | 40 | EPC2021 |
Заключение
Новые eGaN FET производства компании EPC отличаются низким сопротивлением «сток-исток», малой емкостью, высокой стабильностью параметров. В то же время работа с ними аналогична работе с традиционными MOSFET. При этом eGaN FET не только бросают вызов своим кремниевым собратьям, но и показывают превосходство в DC/DC-преобразователях, в усилителях мощности класса D, в инверторах, в системах беспроводной передачи мощности, в лидарах, в системах подстройки питания ВЧ-усилителей (Envelope Tracking), в системах с повышенной температурной и радиационной стойкостью.
За семь лет существования компания EPC смогла создать линейку продукции, состоящую из таких сегментов как:
Что такое GaN-зарядки и чем они отличаются от обычных адаптеров
Блоки питания GaN — новый тип зарядных устройств, в основе которых лежит нитрид галлия. Он применяется для повышения энергоэффективности и снижения тепловыделения. Детали, созданные из альтернативного полупроводникового материала, обладают высокой теплопроводностью, стойкостью к высоким температурам и устойчивостью к кислотам и щелочам. По сравнению с традиционными технологиями производства аккумуляторов, компоненты которых содержат кремний, зарядные устройства из нитрида галлия отличаются небольшим размером и обычно одновременным использованием сразу нескольких портов.
Содержание
Преимущества и недостатки зарядных устройств формата GaN
✅ Плюсы:
- Компактность — новые устройства формата GaN не нуждаются в огромном количестве компонентов, как кремниевые зарядки, а потому при сравнимых показателях мощности они чаще всего примерно на треть меньше по габаритам.
- Многофункциональность — обычно GaN-зарядки укомплектованы сразу несколькими разъёмами. Благодаря этому можно одновременно заряжать не одно устройство, а два, три или даже четыре. Это очень удобно.
- Энергоэффективность — запрещённая зона нитрида галлия составляет 3,4 эВ. Благодаря чему материал выдерживает более высокие напряжение и температуру. У GaN выше коэффициент полезного действия (КПД) и ниже энергопотребление.
- Минимальный нагрев — нитрид галлия менее подвержен тепловыделению, что становится одной из главных причин высокого КПД. Он безопаснее в использовании и проще работает с высокой мощностью в маленьком корпусе.
- Снижение себестоимости — устройства GaN можно изготавливать на тех же предприятиях, что и кремниевые. За счёт меньшего числа компонентов себестоимость и конечная цена будут только снижаться. Но, в будущем.
❌ Минусы:
- Актуальная стоимость — технология на основе нитрида галлия только набирает популярность, из-за чего цена на блоки питания с использованием GaN сейчас выше среднего. Но, ситуация постепенно должна измениться.
За счёт чего у зарядок формата GaN так много плюсов
Нитрид галлия совершил прорыв в мире силовой электроники. Этот материал становится все популярнее и в скором времени полностью заменит кремний в качестве основы для технологии передачи энергии. GaN-зарядки способны удовлетворить растущие потребности гаджетов. Они — революция, которая уже происходит.
Нитрид галлия — бинарный полупроводник с прямой запрещённой зоной III–V класса, что идеально подходит для мощных транзисторов. С 1990-х годов материал широко используется для производства светодиодов (LED), полноцветных светодиодных дисплеев, радиочастотных компонентов и лазеров для DVD.
В 2006 году транзисторы, в основу которых лёг нитрид галлия, начали изготавливать путём выращивания тонкого слоя этого материала на стандартной кремниевой пластине с использованием химического осаждения из газовой фазы. Этот процесс дал возможность изготавливать GaN-зарядки на тех же производствах, что и традиционные кремниевые блоки питания. Благодаря этому их себестоимость значительно снизилась, поэтому спустя несколько лет подобные решения добрались, в том числе, и до массового пользовательского рынка. Судя по всему, вскоре они в полной мере заменят традиционные блоки питания.
Да, важной особенностью нитрида галлия является ширина запрещённой зоны, которая показывает, насколько хорошо металл проводит электричество. GaN имеет запрещённую зону в районе 3,4 эВ, а кремний — 1,12 эВ. Это говорит о том, что нитрид галлия может выдержать более высокие напряжение и температуру, чем кремниевые транзисторы. Более того, нитрид галлия имеет более высокую частоту переключения, что позволяет использовать в силовых цепях катушки индуктивности и конденсаторы меньшего размера. Отсюда минимальные габариты блоков питания и возможность использовать сразу несколько портов.
Зарядные устройства формата GaN — отнюдь не новинка из 2021 года. С 2018-го та же Anker уже пыталась выпустить на массовый рынок несколько блоков питания, но они оказались слишком дорогими для обычных пользователей. В 2020-м уже 20% зарядных устройств Anker работали с нитридом галлия. Прогресс.
Какой блок питания на базе нитрида галлия купить сегодня
Baseus GaN Charger 45W
Эта модель в ассортименте Baseus является одной из самых интересных из-за минимального размера и мощности (45 Вт), которой будет достаточно даже для зарядки ультрабука. Устройство поддерживает основные протоколы быстрой зарядки: Power Delivery, Quick Charge 4+ и так далее. Девайс представлено в двух цветах: чёрном и белом. У него два выхода: USB-A и USB-C. Вес блока питания всего 85 грамм, а габариты — 99×32×30 мм.
Купить на AliExpress по цене от 1 800 рублей.
Baseus GaN 65W Fast Charger
Данная модель на 65 Вт оснащена сразу тремя портами: одним выходом USB-A и двумя USB-C. Устройство идеально подходит для зарядки нескольких мощных девайсов. Как и предыдущая модель, эта также поддерживает все популярные методы быстрой зарядки. Её габариты 112×36×32 мм, вес — 126 грамм. Цвета: чёрный и белый.
Купить на AliExpress по цене от 2 400 рублей.
Baseus 100W GaN Charger
Мощный блок питания на 100 Вт с четырьмя портами: двумя USB-С и парой USB-A. Он, конечно же, поддерживает все популярные стандарты быстрой зарядки. Платой за высокую мощность оказались внушительные габариты 92×30,5×85,2 мм и большой вес 205 грамм.
Купить на AliExpress по цене от 3 800 рублей.
Ugreen GaN 65W PD Charger
Четырёхпортовый блок питания Ugreen на 65 Вт, который предлагает три USB-С и один USB-A. У него небольшие габариты 65×65×31,8 мм, а вот вес производитель не указывает.
Купить на AliExpress по цене от 2 750 рублей.
Xiaomi Mi 65W Fast Charger with GaN Tech
Первое зарядное устройство Xiaomi на базе нитрида галлия. У него всего один порт USB-C с мощностью 65 Вт. Немного, зато дизайн стильный. Габариты — 30,8×30,8×56,3 мм. Вес не указывается.
Купить на AliExpress по цене от 1 980 рублей.
Подведём итоги: когда GaN-зарядки окончательно покорят мир
Блоки питания формат GaN — новое поколение зарядных устройств, которое позволяет заряжать не только смартфоны, но даже ноутбуки. Да, чаще всего это ещё и получится делать одновременно. В 2021 году нитрид галлия вряд ли станет стандартом отрасли. Всему виной высокая цена, которая пока не опустилась, и недоверие пользователей. Судя по всему, время GaN придёт тогда, когда технологию будут использовать не только производители из Поднебесной, но и общепризнанные лидеры отрасли вроде Apple и Samsung. Но, сомнений нет, нитрид галлия — будущее, и оно точно наступит.