Высоковольтные быстродействующие нитрид-галлиевые транзисторы с малыми потерями от Transphorm

| Transphorm

Поиск новых материалов для полупроводниковых компонентов – важная задача для современной электроники. Одним из наиболее перспективных материалов для создания силовых транзисторов является нитрид галлия. Компания Transphorm производит высоковольтные 650 В GaN-ключи, выполненные по каскодной схеме. Такая конфигурация позволяет сохранять высокие значения выходной мощности и минимизировать потери на восстановление обратного диода.

GaN-ключи от Transphorm

 

 

Рис. 1. GaN-ключи от Transphorm

Конечно, сейчас еще рано говорить, что кремний изжил себя и скоро канет в Лету. Наоборот, можно быть уверенным, что в ближайшее время этот привычный полупроводник не уступит своих позиций. Однако некоторые объективные факторы свидетельствуют о том, что кремниевая технология подходит к границам своих возможностей. Это достаточно хорошо видно на примере силовой электроники  (рис. 2).

Теоретически достижимые значения удельного сопротивления различных материалов

Рис. 2. Теоретически достижимые значения удельного сопротивления различных материалов

Если анализировать характеристики серийных кремниевых транзисторов, то оказывается, что они вплотную достигли теоретически возможных значений по сопротивлению открытого канала при заданном пробивном напряжении. Таким образом, разработчикам кремниевых элементов приходится концентрировать свое внимание на улучшении других характеристик. Однако существуют другие материалы, которые имеют более высокий потенциал, к ним относится и нитрид галлия GaN.

Нитрид галлия имеет большую ширину запрещенной зоны, что позволяет достигать больших пробивных напряжений при малых толщинах изолирующих слоев. Так же он отличается высокой подвижностью электронов, меньшим удельным сопротивлением, высокой теплопроводностью.

Тем не менее, нитрид-галлиевые транзисторы долгое время не были реализованы в серийном производстве. Причиной этого были в основном технологические факторы, связанные со сложностью получения нитрид-галлиевых структур. Кроме того, базовая ячейка GaN-ключа является нормально открытым элементом. То есть, даже при отсутствии управляющего сигнала на затворе, транзистор пропускает ток. Чтобы его закрыть, требуется приложить управляющее напряжение, а это не очень удобно. Однако в начале 2000-х сразу несколько производителей смогли решить все проблемы и предложить нормально закрытые транзисторы, выполненные по технологии нитрид-галлий на кремнии. Одной из таких компаний стала Transphorm.

Компания Transphorm выпустила первый работоспособный образец 600 В транзистора еще в 2009 году. В конце 2015 года было начато производство второго поколения транзисторов с повышенным рабочим напряжением 650 В. Отличительной чертой всех силовых ключей Transphorm является особенность их реализации – они выполнены по каскодной схеме. То есть, на самом деле это не один транзистор, а пара силовых ключей: кремниевый низковольтный и нитрид-галлиевый высоковольтный (рис. 3).

Структура высоковольтных GaN-ключей от Transphorm

Рис. 3. Структура высоковольтных GaN-ключей от Transphorm

Интересным является тот факт, что если встроенный кремниевый MOSFET является нормально закрытым транзистором, то GaN-транзистор остается нормально открытым элементом. При этом с точки зрения пользователя схема работает, как обычный N-канальный MOSFET.

Если при приложении прямого напряжения (Uси>0) кремниевый MOSFET закрыт, то весь ключевой элемент оказывается закрытым и не пропускает ток. Если при этом напряжение Uси оказывается больше порогового напряжения GaN-транзистора (единицы вольт), то он закрывается. В итоге все напряжение прикладывается именно к GaN, а не к кремниевому ключу.

Если же кремниевый MOSFET открывается, то вся структура в целом начинает пропускать ток (рис. 4). При этом потери проводимости включают потери на обоих транзисторах. Казалось бы, это должно сделать такую систему бесперспективной, однако ее сила проявляется при работе в импульсных схемах с жесткими переключениями.

Под «жесткими переключениями» в первую очередь понимаются переключения при ненулевых токах. Эффективность стандартных схем на кремниевых MOSFET при работе в таком режиме снижается из-за потерь на восстановление обратного диода. Как известно, ток в классических MOSFET переносится за счет неосновных носителей. После выключения такого транзистора требуется время на рассасывание этих носителей, что приводит к появлению длинного токового хвоста и значительным потерям.  

Предлагаемая каскодная схема предполагает работу MOSFET при малых напряжениях и малых уровнях насыщения. В результате время на рассасывание носителей после выключения оказывается минимальным. При этом GaN-транзистор вообще свободен от эффекта накопления неосновных ностителей и практически не требует времени на восстановление.

При выключении каскодной структуры ток некоторое время протекает через обратный диод (рис. 4). За счет этого возникает бросок напряжения. От него можно избавиться, если дополнительно кратковременно включить MOSFET.

Работа ключей от Transphorm при жестких переключениях

Рис. 4. Работа ключей от Transphorm при жестких переключениях

Чтобы не быть голословными, инженеры Transphorm провели сравнение классического CoolMOS MOSFET и своего GaN-транзистора (рис. 5). Анализировались осциллограммы выключения при нагрузке 9 А 400 В. В данном случае рисунок говорит сам за себя: амплитуда тока оказалась меньше в три раза, а длительность обратного импульса сократилась с 160 нс до 20 нс.

Сравнение осциллограмм выключения CoolMOS и GaN-ключа от Transphorm

Рис. 5. Сравнение осциллограмм выключения CoolMOS и GaN-ключа от Transphorm

Сейчас номенклатура Transphorm включает полтора десятка GaN-транзисторов:

  • с рабочими напряжениями 600 и 650 В;
  • с максимальными сопротивлениями канала до: 350 мОм, 180 мОм, 130 мОм, 85 мОм, 63 м Ом и 41 мОм;
  • с различными корпусными исполнениями: TO-220 (Общий вывод сток), TO-220 (Общий вывод исток), TO-247 (Общий вывод исток), PQFN88 (Общий вывод сток), PQFN88 (Общий вывод исток).

Особый интерес представляют ключи последнего поколения TPH3207WS и TPH3205WS.

Например, ключи TPH3207WS – GaN-транзисторы с рабочим напряжением 650 В, выполненные в корпусе TO-247. Они имеют типовое значение сопротивления канала всего 35 мОм и способны коммутировать импульсную токовую нагрузку до 220 А. Кроме низкого сопротивления TPH3207WS отличаются и малым значением заряда восстановления обратного диода (Qrr) 175 нК. Это приводит к тому, что собственный КПД такого транзистора оказывается чрезвычайно высоким даже при значительных выходных мощностях (рис. 6).

Эффективность использования GaN-транзистора TPH3207WS

Рис. 6. Эффективность использования GaN-транзистора TPH3207WS

Стоит отметить, что силовые ключи от Transphorm оказываются очень перспективными не только из-за своих отличных характеристик (высокая мощность, малые потери, высокое быстродействие), но и из-за удобства использования. Действительно, ведь на самом деле пользователь подает сигналы управления на обычный MOSFET. Это значит, что для ключей Transphorm возможно использовать обычные драйверы для кремниевых транзисторов (рис. 7)! Более того, даже корпусное исполнение ключей Transphorm соответствует обычным транзисторам. В итоге разработчикам практически не придется выдумывать новые схемы – достаточно будет доработать старые, с минимальными потерями времени.

Использование обычных драйверов для GaN-транзисторов от Transphorm

Рис. 7. Использование обычных драйверов для GaN-транзисторов от Transphorm

Хочется отметить, что оценить преимущества GaN-транзисторов от Transphorm можно уже сейчас, если заказать один из более чем десятка готовых демонстрационных наборов: инверторы, преобразователи напряжения, корректоры коэффициента мощности и т. д.

В общем случае новые силовые ключи найдут свое применение в самых различных силовых приложениях от компактных DC/DC преобразователей и мощных приводов электродвигателей, до зарядных устройств и источников питания.

Характеристики микросхемы TPH3207WS:

  • рабочее напряжение: 650 В;
  • сопротивление в открытом состоянии: 35 мОм;
  • прямой постоянный ток (25 °С): 47 А;
  • импульсный ток: 220 А;
  • напряжение затвор-исток: ±18 В;
  • входная емкость: 2150 пФ;
  • заряд восстановления диода: 175 нКл;
  • диапазон рабочих температур: -55…150 °C;
  • корпусное исполнение: TO-247 3L.

Характеристики микросхемы TPH3205WS:

  • рабочее напряжение: 600 В;
  • сопротивление в открытом состоянии: 52 мОм;
  • прямой постоянный ток (25 °С): 36 А;
  • импульсный ток: 150 А;
  • напряжение затвор-исток: ±18 В;
  • входная емкость: 1157 пФ;
  • заряд восстановления диода: 127 нКл;
  • диапазон рабочих температур: -55…150 °C;
  • корпусное исполнение: TO-247 3L.

О производителе:

Transphorm – производитель высоковольтных нитрид-галлиевых транзисторов и модулей для мощных источников питания. Компания была основана в 2007 году, а уже в 2009 году была создана первая модель 600-вольтного GaN-транзистора. В 2015 году было начато производство второго поколения силовых транзисторов.

Производитель: Transphorm
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
TPH3205WS
TPH3205WS
Transphorm
Арт.: 2108137 ИНФО PDF OBS
Поиск
предложений
GaN-транзисторы с рабочим напряжением 600 В в корпусе TO-247 c типовым значением сопротивления канала 52 мОм. Заряд восстановления диода: 127 нКл.
TPH3205WS 1500,00 от 3 шт. 1280,00 от 5 шт. 1180,00
-
Поиск
предложений
TPH3207WS
TPH3207WS
Transphorm
Арт.: 2119303 ИНФО PDF
Доступно: 174 шт. от: 3180 руб.
GaN-транзисторы с рабочим напряжением 650 В в корпусе TO-247 c типовым значением сопротивления канала всего 35 мОм, коммутация импульсной токовой нагрузки до 220 А.
TPH3207WS 3180,00 от 2 шт. 2720,00 от 3 шт. 2500,00
25 шт.
(на складе)
149 шт.
(под заказ)