Высоковольтные и быстродействующие: нитрид-галлиевые транзисторы от VisIC Technologies

| VisIC Technologies LTD

Компания VisIC Technologies начала выпуск нитрид-галлиевых транзисторов с рейтингом напряжения 650 В и способных работать на частотах более 200 кГц с минимальным уровнем потерь. В то же время ближайшие конкуренты в лице кремниевых МДП-транзисторов и БТИЗ могут эффективно применяться при скоростях коммутаций до 150 кГц. Таким образом, транзисторы VisIC Technologies становятся чрезвычайно интересными с точки зрения их использования в силовых импульсных устройствах, например, в корректорах коэффициента мощности или в высоковольтных импульсных регуляторах напряжения.

Нитрид-галлиевые транзисторы компании VisIC Technologies

Рис. 1. Нитрид-галлиевые транзисторы компании VisIC Technologies

Чтобы снизить стоимость и габариты импульсных преобразователей, необходимо увеличить рабочую частоту переключений силовых ключей. Рост частоты коммутаций позволит уменьшить номиналы индуктивностей и емкостей, а значит, и использовать компоненты меньших размеров. Вместе с тем увеличение скорости переключения приведет к росту динамических потерь. По этой причине приходится выбирать оптимальные силовые транзисторы с учетом особенностей конкретного приложения (рис. 2).

Области применения силовых транзисторов

Рис. 2. Области применения силовых транзисторов

Для устройств с высокими рабочими напряжениями более 200 В и низкими рабочими частотами идеально подойдут относительно медленные БТИЗ-транзисторы (IGBT) (рис. 2, сегменты 1 и 2). Они имеют малые потери проводимости, но значительные потери на переключение.

В сегменте устройств с низкими рабочими напряжениями оптимально использовать МДП-транзисторы (MOSFET) (рис. 2, сегмент 5). Они уступают БТИЗ по удельной мощности, но имеют меньшие потери на управление и на переключение.

Диапазон средних рабочих частот 10…150 кГц и средних напряжений 250…1000 В делится между МДП и БТИЗ (рис. 2, сегмент 3).

Интересная ситуация складывается в сегменте с рабочими напряжениями до 650 В и высокими рабочими частотами (рис. 2, сегмент 4). В данном случае БТИЗ оказываются малоэффективными из-за высокой частоты коммутации. В то же время и обычные кремниевые MOSFET демонстрируют не всегда удовлетворительные результаты. По этой причине компаниям-производителям силовых транзисторов приходится искать промежуточные решения и выпускать большое количество наименований ключей с компромиссными значениями рабочих напряжений, сопротивлений каналов и динамических потерь. Это наглядно подтверждает тот факт, что кремниевая технология приблизилась к границе своих возможностей. Чтобы идти дальше, необходимо искать принципиально новые решения, такие, например, как нитрид-галлиевые транзисторы.

Компания VisIC Technologies выпускает нитрид-галлиевые транзисторы с рейтингом напряжений 650 В и рабочими частотами 200 кГц и даже выше. В итоге, они занимают тот сегмент, в котором даже MOSFET оказываются бессильными. Для кремниевых ключей частота коммутаций в таких случаях обычно не превышает 150 кГц.

Что же дает удвоение рабочей частоты? Это дает сразу три очень важных преимущества (рис. 3):

  • Уменьшение номиналов индуктивностей или дросселя фильтра. Это приводит не только к уменьшению габаритов, но к переходу от тороидальных индуктивностей к планарным (и даже ЧИП).
  • Уменьшение номинала конденсаторов фильтров. Это позволяет использовать не электролитические, а компактные многослойные керамические конденсаторы.
  • Уменьшение мощности потерь дает возможность снизить габариты радиаторов и даже перейти от игольчатых массивных конструкций к плоским теплоотводам.

Преимущества использования быстродействующих высоковольтных GaN-транзисторов

Рис. 3. Преимущества использования быстродействующих высоковольтных GaN-транзисторов

Стоит отметить, что использование нитрид-галлиевых транзисторов долгое время ограничивалось их существенными недостатками. С одной стороны их изготовление было достаточно сложным с технологической точки зрения. С другой они имели целый ряд эксплуатационных особенностей. Например, базовая ячейка GaN-транзистора представляет собой нормально замкнутый ключ. То есть, он проводит ток даже без подачи управляющего сигнала, чтобы его закрыть, необходимо подать запирающее напряжение на затвор транзистора. Это было весьма неудобно для разработчиков. Кроме того, это таило в себе большую опасность возникновения сквозных токов при включении силовых устройств.

До последнего времени для управления нитрид-галлиевыми транзисторами требовались особые драйверы со значительными выходными токами и прецизионными выходными напряжениями. Дело в том, что пороговое напряжение GaN-ключей изначально было не высоко – всего 1,8 В, при том, что максимально допустимое значение и вовсе было около 6 В. Эта особенность требовала обеспечения минимальных индуктивностей в цепи затвора, чтобы гарантировать отсутствие ложных срабатываний при возникновении помех. А это усложняло разводку печатных плат и проводной монтаж.

К счастью большая часть перечисленных недостатков осталась в прошлом. Например, сразу несколько фирм объявило о создании нормально разомкнутых ключей. Компания Transphorm, транзисторам которой было посвящено несколько статей на Унитере, предложила использовать каскодную схему из традиционного МДП-транзистора и нитрид-галлиевого ключа. Фирма EPC пошла по пути создания технологии улучшенной нормально закрытой интегральной ячейки eGaN. О низковольтных eGaN ключах от EPC также можно прочитать в предыдущих новостях портала Унитера.

Компания VisIC Technologies выпускает как нормально замкнутые, так и нормально разомкнутые ключи. Нормально разомкнутое состояние обеспечивает встроенный блок управления. При этом пороговое напряжение включения для транзисторов составляет 5 В. Последнее обстоятельство важно, так как позволяет использовать стандартные драйверы, разработанные для кремниевых MOSFET. В портфолио компании входят четыре ключа: V22S65A, V22N65A, V18G65A, VT15R65A (рис. 4).

Структура нитрид-галлиевых транзисторов от VisIC Technologies

Рис. 4. Структура нитрид-галлиевых транзисторов от VisIC Technologies

V22S65A – нормально разомкнутый нитрид-галлиевый транзистор с рейтингом напряжений 650 В, постоянным током до 50 А и импульсным током до 180 А. Данный ключ представляет собой SIP (System In Package) – систему в корпусе. Кроме непосредственно транзистора в состав ключа входит блок управления, благодаря которому пороговое напряжение составляет 5 В. Несмотря на высокое рабочее напряжение, сопротивление открытого канала для V22S65A составляет 22 мОм. Этот ключ идеально подойдет для использования в импульсных асинхронных преобразователях и в корректорах коэффициента мощности.

V22N65A – нормально разомкнутый нитрид-галлиевый транзистор с рейтингом напряжений 650 В. В отличие от V22S65A, данный ключ имеет в своем составе обратный SiC-диод Шоттки. Благодаря этой особенности V22N65A может использоваться в быстродействующих мостовых и полумостовых схемах.

V18G65A – традиционный нормально замкнутый нитрид галлиевый ключ с рейтингом напряжений 650 В и сопротивлением открытого канала 18 мОм.

VT15R65A – наиболее совершенный ключ от VisIC Technologies. Представляет собой нормально разомкнутый нитрид-галлиевый транзистор с рейтингом напряжений 650 В и сопротивлением канала всего 15 мОм. VT15R65В имеет в своем составе обратный SiC-диод Шоттки.

Ключи VisIC Technologies уже продемонстрировали свои преимущества в реальных приложениях. Например, было проведено сравнение работы силовых транзисторов IPA50R250 и VT15R65В в составе существующего корректора коэффициента мощности. Характеристики системы были следующими: частота переключений 250 кГц, выходная мощность 150 Вт, входное напряжение 85 В (AC), контроллер управления ON/NCP1612. При таких параметрах в ходе испытаний с транзисторов был снят радиатор. Кремниевый IPA50R250 перегрелся до 120 °С и вышел из строя через 2 минуты. Температура VT15R65 поднялась до 52 °С и он продолжал свою работу без каких либо проблем!

Чтобы максимально быстро оценить работу новых ключей, следует воспользоваться отладочными наборами.

Отладочная плата EB15R65– набор для оценки возможностей ключей VT15R65A. Конфигурация платы оптимальна для создания повышающих и понижающих преобразователей (рис. 5).

Внешний вид и структура отладочного набора EB15R65A

Рис. 5. Внешний вид и структура отладочного набора EB15R65A

Отладочный набор EVB-HB. Включает две платы (рис. 6). На силовой плате размещена полумостовая схема с двумя транзисторами V22N65A, высоковольтные драйверы и изоляторы. На второй плате находятся два изолированных DC/DC преобразователя для питания драйверов, микросхемы для задания параметров ШИМ сигнала и контроля сигналов обратной связи.

Внешний вид отладочного набора EVB-HB

Рис. 6. Внешний вид отладочного набора EVB-HB

Характеристики силовых транзисторов V22S65A и V22N65A:

  • Напряжение сток-исток: 650 В;
  • Сопротивление открытого канала: 22 мОм;
  • Импульсный ток: 180 А;
  • Постоянный ток: 50 А;
  • Пороговое напряжение: 5 В;
  • Диапазон напряжений затвор-исток: 0…20 В;
  • Заряд затвора: 15 нКл;
  • Рабочий диапазон температур: -55...150°C;
  • Корпус: 12-выводной 15x18x2,25 мм.

О производителе

VisIC Technologies – компания, специализирующаяся на разработке и производстве мощных нитрид-галлиевых транзисторов. В портфолио фирмы входят стандартные нормально замкнутые и нормально разомкнутые высоковольтные быстродействующие ключи.

Производитель: VisIC Technologies LTD
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
V22S65A
V22S65A
VisIC Technologies LTD
Арт.: 2196384 ИНФО PDF
Поиск
предложений
Нормально разомкнутый нитрид-галлиевый транзистор с рейтингом напряжений 650 В, постоянным током до 50 А и импульсным током до 180 А. SIP (System In Package) корпус. Идеально подойдет для использования в импульсных асинхронных преобразователях и в корректорах коэффициента мощности.
V22S65A
-
Поиск
предложений
V22N65A
V22N65A
VisIC Technologies LTD
Арт.: 2196385 ИНФО PDF
Поиск
предложений
Нормально разомкнутый нитрид-галлиевый транзистор с напряжениtv 650 В. В отличие от V22S65A, данный ключ имеет обратный SiC-диод Шоттки. Благодаря этой особенности V22N65A может использоваться в быстродействующих мостовых и полумостовых схемах.
V22N65A
-
Поиск
предложений

Сравнение позиций

  • ()