Силовые GaN-транзисторы: преимущества, рекомендации по использованию

В статье анализируется потенциал силовых GaN-устройств и важность использования драйверов для GaN-ключей, проводится сравнение характеристик нитрид-галлиевых транзисторов и MOSFET, а также кратко рассматриваются методы уменьшения влияния шумов, возникающих в цепи затвора
1348
В избранное

Более десяти лет эксперты и аналитики «предсказывали» появление новых конкурентоспособных нитрид-галлиевых транзисторов. Эти силовые ключи должны были отличаться повышенным уровнем эффективности и мощности и превосходить традиционные кремниевые транзисторы по целому ряду других параметров. Это позволило бы выполнить требования, предъявляемые такими современными мощными приложениями, как серверы и компьютеры. И вот этот момент наступил.

Сегодня у разработчиков есть богатый выбор силовых GaN-транзисторов от различных производителей. Более того, преимущества нитрид-галлиевых ключей уже успели оценить по достоинству – это позволило внедрить их в широкий спектр приложений. Сейчас GaN-транзисторы используют в промышленности - в источниках питания и системах управления электродвигателями; в коммерческом оборудовании и в автомобильной технике с жесткими условиями эксплуатации.

В статье анализируется потенциал силовых GaN-устройств и важность использования драйверов для GaN-ключей, проводится сравнение характеристик нитрид-галлиевых транзисторов и MOSFET, а также кратко рассматриваются методы уменьшения влияния шумов, возникающих в цепи затвора. Стоит отметить также, что GaN-ключи успешно применяют для построения ВЧ-передатчиков и усилителей мощности, но рассмотрение этих случаев выходит за рамки данной статьи.

Зачем вообще понадобились GaN-транзисторы?

Кремниевые МОП-транзисторы долгое время являлись основой силовых устройств с мощностью в диапазоне от десятков до сотен и даже тысяч ватт, таких, например, как источники питания AC/DC, DC/DC-преобразователи, приводы электродвигателей и т. д. По мере развития технологий параметры кремниевых ключей постоянно улучшались: снижалось сопротивление открытого канала RDS (ON), увеличивалось рабочее напряжение, повышалась скорость переключения, минимизировались габаритные размеры и др. В настоящее время технологии производства практически достигли пика своего совершенства, и параметры кремниевых МОП-транзисторов оказались близки к теоретическому пределу, определяемому фундаментальными физическими ограничениями кремния.

Вот почему изделия на базе нитрида галлия привлекательны в качестве альтернативных МОП-транзисторов. Нитрид галлия отличается от кремния повышенной подвижностью электронов и увеличенной электрической прочностью. Это означает, что при заданных значениях сопротивления и пробивного напряжения GaN-транзистор будет иметь меньшие размеры по сравнению с кремниевым аналогом (рис. 1). GaN-ключи также обладают чрезвычайно высокой скоростью переключений и минимальным временем обратного восстановления, что является важным условием для уменьшения потерь и повышения эффективности. GaN-транзисторы с рейтингом напряжения 600/ 650 В широко представлены на рынке и являются идеальным выбором для широкого спектра приложений, впрочем, как и первое поколение GaN-ключей с рейтингом напряжений 100 В.

GaN-транзистор выполнен на кремниевой подложке

Рис.1. GaN-транзистор выполнен на кремниевой подложке

Двойной электронный слой (ДЭС) сформирован на границе гетероструктуры, которая состоит из двух эпитакисальных слоев AlGaN/ GaN и обеспечивает высокую плотность заряда и подвижность носителей. Нормально замкнутый GaN-ключ не проводит ток при нулевом напряжении «затвор-сток» (левый рисунок). Если напряжение «затвор-сток» превышает пороговое значение, транзистор открывается (рисунки справа и по центру).

 GaN-транзисторы делятся на два типа:

  • Нормально открытые GaN-транзисторы, работающие в режиме обеднения. Такие ключи находятся в проводящем состоянии при отсутствии напряжения на затворе. Для их отключения требуется подача отрицательного затворного напряжения (относительно стока и истока).
  • Нормально закрытые GaN-транзисторы с улучшенной структурой (enhancement mode), работающие в режиме обогащения. Нормально замкнутый GaN-ключ не проводит ток при нулевом напряжении «затвор-сток». Если напряжение «затвор-сток» превышает пороговое значение, транзистор открывается.

Разница между перечисленными типами транзисторов заключается не только в нормально закрытом или нормально открытом состоянии. Для ключей, работающих в режиме истощения (нормально открытые), существуют проблемы с начальной подачей питания. Чтобы предотвратить сквозной ток, например, в полумостовой схеме, необходимо перед подачей напряжения силовой шины предварительно выключить транзисторы, для чего требуется сформировать на их затворах отрицательные напряжения. Для устранения этого очевидного недостатка нормально открытых GaN-транзисторов используют каскадную схему включения: в одном корпусе с нитрид-галлиевым ключом помещают дополнительный низковольтный кремниевый ключ. Совсем по-другому обстоит дело с нормально замкнутыми GaN-транзисторами, которые при нулевом напряжении на затворе по умолчанию не проводят ток и не создают проблем при начальном запуске. 

Сравнение GaN и кремниевых транзисторов

 Кремниевые МОП-транзисторы и GaN-ключи имеют сходства и различия.

Хотя значения параметров GaN-транзисторов отличаются от значений кремниевых MOSFET, перечни общих характеристик у них практически совпадают. Как и у традиционных МОП-транзисторов, у GaN-ключей есть выводы стока, истока и затвора, а наиболее важными параметрами остаются сопротивление открытого канала и рабочее напряжение.

Кроме того, GaN-транзисторы с улучшенной структурой (enhancement mode), как и кремниевые MOSFET, являются нормально закрытыми ключами, управляемыми напряжением (не током!). При этом они также обладают паразитной входной емкостью, которую требуется заряжать и разряжать при переключениях. Параметры заряда/ разряда (в частности, скорость нарастания и форма сигналов) являются важными факторами, определяющими эффективность работы ключей.

Рассмотрим и некоторые важные различия, которые определяются в первую очередь свойствами полупроводниковых материалов. Во-первых, сопротивление открытого канала GaN-транзистора RDS(ON) является чрезвычайно низким, что приводит к значительному уменьшению статических потерь проводимости во включенном состоянии. Во-вторых, структура GaN-ключа обеспечивает минимальную входную емкость, что позволяет добиваться высокой скорости переключений. В результате нитрид-галлиевые транзисторы способны коммутировать напряжения в сотни вольт с длительностью переходных процессов в наносекундном диапазоне. Это делает их идеальным выбором для построения мощных импульсных источников питания с большими выходными токами и рабочими частотами до нескольких сотен мегагерц. Кроме того, увеличение частоты коммутации может (потенциально) привести к росту эффективности и к уменьшению номиналов емкостей и индуктивностей выходных фильтров, благодаря чему удастся получать компактные решения с минимальными габаритными размерами.

Представителем семейства GaN-устройств с улучшенной структурой является транзистор GS66516B от компании GaN Systems, который сочетает в себе высокое значение тока стока, рабочее напряжение 650 В и высокую частоту переключений (рис. 2). Транзистор выпускается в шестивыводном корпусном исполнении размером 11 x 9 мм (рис. 3). GS66516B отличается минимальным тепловым сопротивлением переход-корпус и имеет дополнительную нижнюю площадку для теплоотвода.

Нормально закрытый 650 В транзистор GS66516B от компании GaN Systems

Рис. 2. Нормально закрытый 650 В транзистор GS66516B от компании GaN Systems; выпускается в шестивыводном корпусном исполнении, отличается высоким значением тока и минимальной паразитной индуктивностью.

Габаритные размеры корпуса GS66516B составляют 11x9 мм

Рис. 3. Габаритные размеры корпуса GS66516B составляют 11x9 мм. На нижней стороне размещена дополнительная площадка для улучшения теплоотвода.

Сопротивление канала для GS66516B составляет 25 мОм, максимальный ток стока 10 А, а частота переключений может превышать 10 МГц. Рекомендуемый диапазон управляющих напряжений «затвор-исток» составляет 0…6 В, при этом затвор имеет защиту от перенапряжений -20…+10 В.

Выбор драйвера определяет эффективность использования GaN–транзисторов

Для эффективной работы транзистора крайне важно правильно выбрать драйвер, необходимый как для GaN-ключей, так и кремниевых MOSFET. Драйвер играет роль электрического интерфейса между низковольтным цифровым выходом управляющего микроконтроллера и высоковольтной частью схемы, чувствительной к скорости нарастания сигналов. (Предложенное определение является упрощенным: драйвер выполняет множество других функций).

При включении и выключении транзистора драйвер должен формировать управляющий сигнал и обеспечивать необходимый ток затвора, чтобы быстро заряжать и разряжать входную затворную емкость, не допуская перерегулирования или осцилляций. Кроме того, при работе полумостовых и мостовых схем необходимо, чтобы драйвер формировал задержки при генерации управляющих сигналов и не допускал возникновения сквозных токов.

Рассмотрим три основных параметра GaN-транзисторов, на которые в первую очередь следует обращать внимание при выборе драйвера: максимально допустимое напряжение затвора, пороговое напряжение затвора и падение напряжения на встроенном диоде. Максимальное напряжение «затвор-исток» для нормально закрытого нитрид-галлиевого ключа составляет 6 В, что примерно в два раза меньше, чем у МОП-транзисторов. Отчасти это упрощает задачу формирования требуемых напряжений и токов при включениях и выключениях. Пороговое напряжение затвора GaN-ключей ниже напряжения большинства силовых МОП-транзисторов и имеет низкий отрицательный температурный коэффициент – это упрощает задачу температурной компенсации драйверов. Прямое падение напряжения на встроенном диоде, который является неотъемлемой частью структуры GaN-ключей, оказывается примерно на 1 В выше, чем у кремниевых МОП-транзисторов.

Приведём несколько цифр, чтобы продемонстрировать динамические преимущества GaN-ключей. GaN-транзисторы способны переключаться значительно быстрее кремниевых MOSFET, при этом скорость нарастания dV/ dt для них превышает 100 В/ нс. Общее время включения GaN примерно в четыре раза меньше, чем у кремниевых МОП-транзисторов с тем же значением сопротивления канала RDS (ON), а время выключения меньше примерно в два раза. Это важно для увеличения эффективности и энергоемкости, однако данные особенности вызывают новые проблемы с точки зрения схем управления и драйверов.

Как и у кремниевых МОП-транзисторов, у GaN-транзисторов есть проблемы с зарядом Миллера, который ограничивает скорость включения/ выключения и оказывает влияние на форму сигнала. Но общий заряд Миллера для GaN-ключей намного ниже, чем для кремниевых MOSFET со сравнимым RDS (ON). Поэтому GaN-транзистор можно включить/ выключить значительно быстрее, что является большим преимуществом.

Тем не менее высокая скорость нарастания dV/ dt может создавать условия для возникновения сквозных токов в полумостовых и мостовых схемах. Поэтому необходимо задавать сопротивление затвора с учетом уменьшения длительности переходных процессов, но не допускать возникновения других нежелательных механизмов потерь, а также перерегулирования или осцилляций. Эти условия важно выполнять для предотвращения ложных переключений и минимизации электромагнитных помех.

Анализ данной проблемы представлен на рисунках 4 и 5. Самым простым решением является разделение управляющих выходов драйвера и использование двух отдельных затворных резисторов для включения и выключения (рис. 6).

Для анализа и решения проблем, возникающих в процессе включения, необходима подробная модель GaN-транзистора: положительное dV/dt

Рис. 4. Для анализа и решения проблем, возникающих в процессе включения, необходима подробная модель GaN-транзистора: положительное dV/dt

Для анализа и решения проблем, возникающих в процессе выключения, необходима подробная модель GaN-транзистора: отрицательное dV/dt

Рис. 5. Для анализа и решения проблем, возникающих в процессе выключения, необходима подробная модель GaN-транзистора: отрицательное dV/dt

Используя отдельные выходы и разные резисторы затвора, можно оптимизировать процессы включения и выключения  и предотвратить возникновение  перерегулирования и звонов

Рис. 6. Используя отдельные выходы и разные резисторы затвора, можно оптимизировать процессы включения и выключения  и предотвратить возникновение  перерегулирования и звонов

Таким образом, скромный резистор затвора (или пара резисторов) может сыграть решающую роль в обеспечении высокой эффективности при работе с мощным GaN-ключом. Выбор оптимальных значений сопротивлений резисторов цепей включения/ выключения позволяет достичь высокой эффективности и стабильности работы GaN-ключей.

Для защиты от негативных последствий эффекта Миллера сопротивление резистора в цепи включения обычно выбирается из диапазона 5…10 Ом. Если резистор в цепи включения слишком большой (10…20 Ом), то скорость включения/ выключения dV/ dt снижается. Это в свою очередь вызывает затягивание процесса включения и, как следствие, рост потерь. Если скорость нарастания слишком высока, то потери на коммутацию обусловлены эффектом Миллера и потенциальными осцилляциями в цепи затвора. Для быстрого выключения транзистора необходимо как можно сильнее подтягивать затвор к земле. Поэтому резистор в цепи выключения затвора обычно выбирают из диапазона от 1 до 2 Ом.

Микросхемы драйверов, предлагаемые различными поставщиками, решают множество проблем и позволяют разработчику использовать различные GaN-транзисторы. Среди доступных драйверов можно выделить LMG1205 от Texas Instruments (рис. 7). Это двухканальный драйвер для работы с нормально закрытыми GaN-транзисторами.

 Драйвер LMG1205 от Texas Instruments LMG1205 имеет все необходимое для работы с GaN-транзисторами

Рис. 7. Драйвер LMG1205 от Texas Instruments LMG1205 имеет все необходимое для работы с GaN-транзисторами

LMG1205 способен управлять транзисторами верхнего и нижнего плеча в синхронном понижающем преобразователе, повышающем регуляторе и в других полумостовых схемах. Драйвер имеет независимые входы для управления верхним и нижним ключами. Максимальный выходной ток для него составляет 1,2 А, а максимальный входной ток 5 А. Это сделано для предотвращения ложных включений при коммутациях. Каналы с раздельными выводами для цепей включения и выключения обеспечивают гибкость, позволяющую независимо регулировать ток включения и выключения.

Входы драйвера совместимы с TTL-логикой, но могут выдерживать входные напряжения до 14 В независимо от напряжения шины VDD.

Не стоит забывать, что в приложениях с полумостовыми схемами важно иметь низкую задержку сигнала управления и оптимальное согласование задержек между каналами для обеспечения высокой эффективности и защиты от сквозных токов. Драйверы LMG1205 имеют типовое значение задержки сигналов управления 35 нс и согласование задержек между каналами на уровне 1,5 нс.

Среди других присутствующих на рынке драйверов GaN-транзисторов можно отметить такие семейства как Si827x от Silicon Labs, ADuM4223A/B от Analog Devices, MAX5048C от Maxim и LM5113 от Texas Instruments. Кроме того, в ряде случаев можно использовать драйверы, изначально предназначавшиеся для кремниевых ключей, если их характеристики и параметры позволяют работать с GaN-транзисторами на низких частотах.

Для успеха мало хорошей схемы

Любой опытный разработчик знает, что идеальная схема и оптимальный выбор компонентов являются необходимыми, но далеко не достаточными условиями успешного построения надежного устройства.

В случае со схемами, использующими GaN-транзисторы, крайне важно контролировать и минимизировать проникновение шумов от источника питания в цепь затвора.

Сигналы с высокой скоростью dV/ dt и di/ dt в сочетании с минимальной входной емкостью затвора и низким пороговым напряжением «затвор-исток» приводят к тому, что шумы и помехи в цепи затвора, а также эффект Миллера способны вызывать осцилляции и звон. Результатом этого становятся ложные переключения, снижение эффективности и даже отказ устройства.

Основной причиной возникновения осцилляций являются паразитные индуктивности в цепи обратной связи, а также эффект Миллера. Для решения этих проблем часто требуется использование многослойных печатных плат.

Методами борьбы с паразитной индуктивностью являются:

  • оптимизация компоновки элементов на печатной плате для уменьшения длины дорожек;
  • размещение выхода драйвера как можно ближе к затвору GaN-транзистора;
  • использование проводящих дорожек максимальной ширины;
  • подключение к источнику питания методом Кельвина для минимизации общей индуктивности истока;
  • использование гальванической развязки;
  • точная подгонка сопротивлений резисторов в цепи затвора для настройки необходимых параметров включения и выключения;
  • применение небольших отрицательных запирающих напряжений (-3 В);
  • использование дополнительных ферритовых фильтров в цепи затвора для защиты от ВЧ-шумов и дребезга;
  • добавление последовательно с затвором помехоподавляющих RC-цепочек.

Заключение

В настоящий момент нитрид-галлиевые транзисторы стали не просто реальностью, а настоящей альтернативой для кремниевых MOSFET. К услугам разработчиков - широкий выбор GaN-ключей, инструментов отладки и моделирования, специализированных драйверов, реальных примеров использования и т.д. Это касается как крупных, так и мелких производителей. GaN-транзисторы обеспечивают параметры эффективности и производительности, превосходящие те, что могут предложить существующие и даже анонсируемые кремниевые MOSFET.

Тем не менее скорость и возможности GaN-ключей требуют от разработчиков повышенного внимания при использовании. Это в первую очередь касается анализа характера включения и выключения с учетом значений dV/dt и di/dt, токов заряда и разряда, возможных шумов и паразитных связей. Также не стоит забывать о грамотной компоновке элементов и разводке печатной платы.

Производитель: GaN Systems
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
GS61008P-E03-TY
GS61008P-E03-TY
GaN Systems
Арт.: 1895270 ИНФО PDF
Поиск
предложений
GaN транзистор на напряжение 100V в корпусе с низкой индуктивностью. N-Канал. Vds: 100 V Vgs: 10 V Id : 90 A Rds On : 7.4 mOhms Qg: 16 nC Ciss : 345 pF
GS61008P-E03-TY от 1615,51
-
Поиск
предложений
GS66508P-E03-TY
GS66508P-E03-TY
GaN Systems
Арт.: 1895271 ИНФО PDF
Поиск
предложений
GaN транзистор на напряжение 650V в корпусе с низкой индуктивностью.N-Канал. Vds: 650 V Vgs: 10 V Id : 30 A Rds On : 52 mOhms Qg: 6.5 nC Ciss : 180 pF
GS66508P-E03-TY от 6058,17
-
Поиск
предложений
GS66508T-EVBHB
GS66508T-EVBHB
GaN Systems
Арт.: 2090043 ИНФО PDF
Поиск
предложений
Характеристики отладочной платы GS66508T-EVBHB: • базовая схема: полумост; • тип транзисторов: GS66508T 650 В; • возможные схемы включения: полумост, повышающий DC/DC преобразователь, понижающий DC/DC преобразователь; • напряжение питания: 9…12 В; • выходной ток: до 30 А; • достижимый КПД: >98,5 % при выходной мощности 1…2 кВт (понижающий преобразователь).
GS66508T-EVBHB от 44022,70
-
Поиск
предложений
GS66508T-E02-TY
GS66508T-E02-TY
GaN Systems
Арт.: 2090044 ИНФО PDF
Поиск
предложений
Характеристики GaN-транзистора GS66508T: • Рейтинг напряжения: 650 В; • Типовое сопротивление открытого канала: 50 мОм; • Максимальное сопротивление открытого канала: 63 мОм; • Максимальный токе стока: 30А; • Допустимый диапазон напряжения затвор-исток: 0…6 В; • Устойчивость затвора к импульсным перенапряжениям: -20…+10 В; • Рабочая частота: более 100 МГц; • Расположение теплоотводящей площадки: сверху; • Корпус: GaNPX™ 6,9 x 4,5 мм.Ограничение ввоза
GS66508T-E02-TY от 4711,91
-
Поиск
предложений
GS66516T-EVBDB
GS66516T-EVBDB
GaN Systems
Арт.: 2739231 ИНФО
Поиск
предложений
Средство разработки интегральных схем (ИС) управления питанием GS66516T Half Bridge Daughter Board
GS66516T-EVBDB
-
Поиск
предложений

Сравнение позиций

  • ()