eGan vs MOSFET: смертельная битва

Транзисторы на основе нитрида галлия (GaN) всерьёз грозятся выгнать с рынка традиционные силовые MOSFET. Их меньшее по сравнению с MOSFET сопротивление в режиме насыщения RDS(on) означает большую мощность, а меньший заряд затвора – большую частоту переключения. Да и размеры GaN-транзисторов меньше при таких же, как у кремниевых, или даже превосходящих характеристиках. 

Первые GaN-транзисторы имели один не очень существенный, но специфический недостаток: в исходном состоянии, то есть перед включением питания, они открыты. Это требовало от инженеров определённой осторожности при проектировании силовых цепей на GaN-транзисторах. Исправить это взялась компания EPC – лидер на рынке GaN-устройств. Транзисторы на основе нитрида галлия нового типа, получившие название eGan, работают точно так же, как и обычные MOSFET, но гораздо быстрее.

Совершенству предела нет, поэтому производители GaN-устройств продолжают улучшать характеристики своих продуктов. Появление четвёртого поколения силовых транзисторов eGaN компании EPC ещё больше увеличило отрыв нитрид-галлиевой технологии от кремниевой.

Ранее, для того, чтобы увеличить выходной ток преобразователя, приходилось применять несколько ключей, соединённых по параллельной схеме. Это требовало большей площади платы и повышало стоимость устройства. Сопротивление новых eGaN-транзисторов в режиме насыщения RDS(on) уменьшилось примерно вдвое (рис.1), благодаря чему они могут пропускать большие по сравнению со своими предшественниками токи.

Зависимость сопротивления в режиме насыщения от напряжения на транзисторе для двух поколений eGaN-устройств

Рис.1. Зависимость сопротивления в режиме насыщения от напряжения на транзисторе для двух поколений eGaN-устройств

В высокочастотных системах основные потери энергии происходят при переключении и зависят от зарядов затвора, который определяет времена нарастания и спада фронтов импульсов тока и напряжения. Для определения этой характеристики применяется величина, называющаяся FOM (Figure of merit, показатель качества) и рассчитываемая как произведение заряда затвора Qg и RDS(on). Показатель FOM eGaN-транзисторов четвёртого поколения в два раза меньше по сравнению с предшественниками и в 4,8, 8 и 5 раз меньше по сравнению с лучшими кремниевыми MOSFET на напряжения 40, 100 и 200 В, соответственно, (рис. 2).

Сравнение FOM кремниевых MOSFET и транзисторов GaN

Рис.2. Сравнение FOM кремниевых MOSFET и транзисторов GaN

Слова хороши только тогда, когда подтверждены делом. Для того, чтобы проверить преимущества новых транзисторов, была собрана схема преобразователя напряжения с 12 в 1,2 В на транзисторах eGaN второго (EPC2015) и четвёртого (EPC2023) поколения (рис.3).  Результаты тестирования (рис.4) говорят сами за себя, показывая заметное превосходство нового поколения eGaN-транзисторов. И при этом они занимают площадь менее полутора квадратных сантиметров!

Тестовый преобразователь

Рис.3. Тестовый преобразователь

 Результаты тестирования eGaN-транзисторов двух поколений и MOSFET

Рис.4. Результаты тестирования eGaN-транзисторов двух поколений и MOSFET. Зависимость КПД преобразователя от тока нагрузки при разных частотах преобразования

Новая линейка GaN-транзисторов EPC (см. таблицу) включает компоненты с рабочим напряжением 30 В, которые можно применять в мощных преобразователях постоянного тока, системах распределённого питания (POL) и синхронных выпрямителях для источников с гальванической развязкой. Размеры кристалла транзисторов – 6,05×2,3 мм.

Таблица. Силовые eGaN-транзисторы компании EPC четвертого поколения

Транзистор

Рабочее напряжение VDS, В

RDS(on), мОм, макс. 

Максимальный пиковый ток ID, А, при 25°С, длительностью 300 мкс

EPC2023

30

1,3

590

EPC2024

40

1,5

550

EPC2020

60

2

470

EPC2021

80

2,5

420

EPC2022

100

3,2

360

EPC2019

200

43

42

О компании

Компания EPC была основана в ноябре 2007 года. Богатый опыт её основателей в области силовой электроники (в частности, директора компании Алекса Лайдоу – одного из изобретателей силового MOSFET) позволил уже через два года выпустить на рынок инновационные устройства eGaN. Сегодня компания EPC – лидер на рынке GaN-устройств, предлагающий более 100 продуктов на основе этой технологии. 

Сравнение позиций

  • ()