GaN

Преимущества интеграции GaN-транзистора и драйвера в одной микросхеме. Часть 1

Долгое время распространение нитрид-галлиевых транзисторов ограничивалось из-за различных технологических проблем. К счастью большая часть этих проблем осталась в прошлом, и на рынке появилось множество конкурентоспособных GaN-ключей. Более того, начали появляться и интегральные GaN-микросхемы, которые объединяют в одном корпусе нитрид-галлиевый транзистор, драйвер и управляющую логику. Примером таких ИС являются NV6113/15/17 от компании Navitas Semiconductor
863
В избранное

Долгое время распространение нитрид-галлиевых транзисторов ограничивалось из-за различных технологических проблем. К счастью большая часть этих проблем осталась в прошлом, и на рынке появилось множество конкурентоспособных GaN-ключей. Более того, начали появляться и интегральные GaN-микросхемы, которые объединяют в одном корпусе нитрид-галлиевый транзистор, драйвер и управляющую логику. Примером таких ИС являются NV6113/15/17 от компании Navitas Semiconductor. Данный цикл публикаций состоит из двух частей. Первая часть представляет собой перевод статьи Марко Жиндалиа и Дэна Кинзера «System integration benefits of GaN Power ICs», а вторая посвящена обзору ИС от компании Navitas Semiconductor.

Введение

Во многих приложениях нитрид-галлиевые транзисторы обеспечивают более высокую эффективность по сравнению с аналогичными кремниевыми ключами. Несмотря на это, в течение многих лет технология GaN-транзисторов не получала широкого распространения из-за специфических особенностей управления затвором и проблем, связанных с созданием надежных драйверов и цепей защиты.

Монолитные интегральные GaN-микросхемы, объединяющие силовые GaN-транзисторы, драйверы, управляющую логику, цепи защиты и питания решают перечисленные выше проблемы и позволяют реализовать высокочастотные источники питания, обладающие высоким КПД, низкой стоимостью и повышенной надежностью.

В данной статье рассказывается о преимуществах интегральных GaN-микросхем, которые могут быть использованы для увеличения эффективности и плотности мощности AC/DC- или DC/DC-преобразователей.

1. Технология интегральных GaN-микросхем

Свойства нитрида галлия, такие, например, как максимальная напряженность электрического поля (В/см), ширина запрещенной зоны (эВ), уровень насыщения дрейфовой скорости электронов (см/с) делают этот материал чрезвычайно привлекательным для создания силовых и ВЧ-транзисторов. В частности, при подаче положительного напряжения затвор-сток в гетероструктуре AlGaN/ GaN формируется проводящий канал, который характеризуется высокой концентрацией двухмерного электронного газа и высокой подвижностью электронов в области дрейфа и под затвором (рисунок 1).

Технология нитрид-галлия на кремнии (GaN на Si)

Рис. 1. Технология нитрид-галлия на кремнии (GaN на Si) позволяет создавать транзисторы с высокой подвижностью электронов (ТВПЭ, HEMT)

Современная технология «нитрид-галлия на кремнии» позволяет создавать интегральные GaN-транзисторы с улучшенной структурой (eMode) и высоким пробивным напряжением.

Благодаря современным интегральным технологиям, многие активные и пассивные компоненты могут быть реализованы на одном кристалле при условии выполнения требований взаимной изоляции. На рисунке 2 показана интегральная силовая GaN-микросхема, в которой большая часть кристалла занята полевым GaN-транзистором с рейтингом напряжения 650 В, а оставшееся свободное место (около 25%) используется для размещения различных цепей и схем, в частности драйверов и цепей защиты. Примером таких микросхем является семейство NV6113/15/17 от компании Navitas Semiconductor.

Интегральная микросхема, объединяющая GaN-транзистор, драйвер затвора, схему защиты от пониженного напряжения и схему управления скоростью dV/dt

Рис. 2. Интегральная микросхема, объединяющая GaN-транзистор, драйвер затвора, схему защиты от пониженного напряжения и схему управления скоростью dV/dt

Эти микросхемы уже нашли свое применение в AC/DC и DC/DC-преобразователях импульсных источников питания, используемых в потребительской электронике, промышленном оборудовании и автомобильной технике.

Интеграция различных компонентов в одной микросхеме и использование высокочастотных резонансных топологий (> МГц) открывают источникам питания дорогу к совершенно новому уровню эффективности и плотности мощности. Увеличение рабочей частоты преобразователя позволяет пропорционально уменьшать размеры магнитных и емкостных элементов, тем самым повышая плотность мощности (Вт/см3). В то же время существенное увеличение эффективности преобразователя (%) возможно за счет перехода от топологий с жесткими переключениями к использованию резонансных топологий, таких как ACF или LLC, при условии достижения оптимального баланса между коммутационными потерями и потерями проводимости.

2. Встроенные интегральные блоки и функции GaN-микросхем

Чтобы достичь существенного увеличения плотности мощности и повышения эффективности преобразователя, необходимо уделить особое внимание драйверу силовых транзисторов. Драйвер должен обеспечивать оптимальные уровни напряжения для управления затвором и контролируемую скорость нарастания при включениях и выключениях.

Моделирование напряжения на затворе при включении и выключении транзистора

Рис. 3. Моделирование напряжения на затворе при включении и выключении транзистора

Красный график имеет отчетливый звон, связанный с большой паразитной индуктивностью в цепи затвора при использовании внешнего драйвера. Синий график не имеет звона и относится к случаю использования интегрированного драйвера.

При использовании дискретных полевых транзисторов драйвер является частью другой микросхемы. Электрическая связь между драйвером и силовым ключом обеспечивается проводниками печатной платы или проволочными проводниками, соединяющими выводы отдельных кристаллов, размещенных в одном корпусе (например, SiP-микросхемы). В любом из этих случаев контур управления затвором будет иметь существенную паразитную индуктивность, поэтому большая скорость изменения тока dI/ dt при включении и выключении, приведет к возникновению положительных и отрицательных выбросов напряжения на затворе, что может поставить под угрозу надежную работу силового транзистора. Для борьбы с влиянием паразитного контура, состоящего из паразитной индуктивности и входной емкости транзистора, часто используют резистор Rg, включенный последовательно в цепи затвора. К сожалению, применение резистора Rg также приводит к увеличению времени нарастания и спада сигнала управления на затворе, а значит, к росту длительности процесса коммутации и, как следствие, к значительному увеличению потерь при переключениях.

Кроме того, в полумостовых каскадах резистор Rg ухудшает устойчивость транзистора к паразитному включению из-за присутствия емкости Миллера. Этот эффект может отрицательно повлиять на эффективность работы и надежность силового ключа.

В настоящий момент лучшей альтернативой резистора Rg в цепи затвора является интеграция драйвера и силового ключа на одном кристалле.

2.1 Встроенный драйвер

Рассматриваемая в данной статье интегральная технология подразумевает размещение драйвера и силового полевого транзистора на одном кристалле. Благодаря максимально близкому расположению выходного каскада драйвера (обычно выполненного в виде полумоста из пары транзисторов) к затвору силового транзистора, паразитная индуктивность контура затвора может быть виртуально уменьшена до нуля.

Структура и расположение интегрального драйвера тщательно оптимизируются, чтобы обеспечить минимальную задержку распространения сигнала управления, гарантировать идеальный уровень напряжения на затворе и достичь высокой устойчивости к емкости Миллера при выключении. Близкая к нулю паразитная индуктивность контура управления затвором обеспечивает оптимальную форму напряжения при выключении транзистора. При этом звон напряжения практически отсутствует, в отличие от варианта с использованием внешнего дискретного драйвера, с которым паразитная индуктивность оказывается достаточно высокой. Благодаря близкой к нулю индуктивности контура управления, время выключения транзистора существенно уменьшается (500 пс), что приводит к снижению потерь при выключении на 90% (рисунок 4).

Потери при выключении транзистора

Рис. 4. Потери при выключении транзистора

2.2 Встроенная схема управления скоростью нарастания dV/dt

Как уже было сказано выше, интегральные GaN-микросхемы оптимизированы для достижения минимального уровня потерь при выключении, однако процесс включения также требует оптимизации, в первую очередь исходя из требований электромагнитной совместимости (ЭМС). Это особенно важно при жестких переключениях силовых транзисторов. По этой причине драйвер должен иметь возможность управления скоростью нарастания сигнала, например, с помощью внешнего резистора. В случае с микросхемами NV61xx управление скоростью нарастания производится с помощью внешнего резистора RDD, который определяет степень открытия транзистора выходного каскада драйвера (рисунок 5а). Чем сильнее открывается этот транзистор, тем выше будет скорость нарастания сигнала управления затвором силового транзистора.

Чтобы обеспечить выполнение требований электромагнитной совместимости и сохранить приемлемый уровень потерь при включении, следует выбирать скорость нарастания в диапазоне от 10 до 90 В/нс (рисунок 5б).

Рис. 5. а) Схема включения резистора RDD и его влияние на скорость изменения напряжения при выключении dV / dt. б) График зависимости dV / dt. от RDD

Рис. 5. а) Схема включения резистора RDD и его влияние на скорость изменения напряжения при выключении dV / dt. б) График зависимости dV / dt. от RDD

Благодаря оптимизации параметров включения и выключения в соответствии с требованиями ЭМС для радиочастотных и кондуктивных помех, могут быть существенно уменьшены габариты компонентов, входящих в состав дополнительных фильтров и помехоподавляющих цепей. Таким образом, удается дополнительно повысить плотность мощности источника питания.

2.3 Встроенный регулятор напряжения

Как и в случае с кремниевыми МОП-транзисторами, при работе с GaN-ключами необходимо использовать оптимальные уровни напряжения затвора для достижения максимально возможной эффективности.

Микросхемы NV6113/15/17 имеют входное напряжение питания 10…30 В, при этом для питания драйвера используется специальный интегрированный регулятор напряжения. Благодаря этому регулятору, драйвер обеспечивает оптимальное отпирающее затворное напряжение (6,2 В) при включении силового транзистора. В качестве опорного напряжения для встроенного регулятора может быть использован внешний стабилитрон.

Встроенный регулятор напряжения переходит в режим ожидания, когда отсутствует входной сигнал ШИМ, что снижает потребление микросхемы.

Таким образом, встроенный регулятор напряжения позволяет сократить число внешних дискретных компонентов, уменьшить уровень потерь и повысить безопасность работы силового транзистора.

2.4 Бутстрепная схема для управления верхним транзистором

При использовании GaN-транзисторов в качестве ключей верхнего плеча в полумостовых силовых каскадах удается существенно снизить потери и увеличить эффективность. Вместе с тем для управления верхним ключом требуется, чтобы отпирающее напряжение на затворе было бы больше, чем напряжение на шине (V +).

Один из наиболее распространённых методов формирования управляющего напряжения для транзистора верхнего плеча заключается в использовании бутстрепной схемы. Преимуществами этого метода является простота и низкая стоимость реализации.

Пример построения бутстрепной схемы на дискретных компонентах представлен на рисунке 6. Схема работает следующим образом: когда напряжение на выходе полумоста опускается ниже напряжения питания микросхемы Vcc или подтягивается к земле (нижний транзистор включен, а верхний выключен), бутстрепный конденсатор CBOOT заряжается через резистор RBOOT и диод DBOOT от источника питания Vcc.

Когда нижний транзистор выключается, а верхний транзистор включается, CBOOT обеспечивает ток управления для верхнего транзистора. Открываясь, верхний ключ подтягивает напряжение на выходе полумоста к уровню напряжения шины (DC+). В этот момент из-за плавающего напряжения на бутстрепном конденсаторе (VBS) напряжение в точке VB оказывается выше, чем напряжение шины. В результате диод DBOOT смещается в обратном направлении и препятствует разряду конденсатора через источник питания Vcc.

Построение бутстрепнолй цепи в схеме с дискретными транзисторами

Рис. 6. Построение бутстрепнолй цепи в схеме с дискретными транзисторами

2.5 Как преодолеть ограничения бутстрепной схемы

Помимо простоты и низкой стоимости, бутстрепная схема имеет несколько важных ограничений:

  1. Минимально допустимая длительность включенного состояния нижнего ключа определяется временем заряда бутстрепного конденсатора;
  2. Заряд обратного восстановления и паразитная емкость диода DBOOT вносят дополнительный вклад в общий уровень потерь преобразователя;
  3. Напряжение на выходе полумоста может стать отрицательным в течение мертвого времени, если ток нагрузки протекает через обратный встроенный диод нижнего силового транзистора. При этом напряжение на бутстрепном конденсаторе CBOOT окажется выше, чем Vcc. Ситуация может быть еще хуже, если прямое падение напряжения на бутстрепном диоде DBOOT не соответствует прямому напряжению на встроенном диоде нижнего ключа. Это может произойти, если в качестве DBOOT используется кремниевый диод, а в качестве нижнего ключа выступает GaN-транзистор.

Проблема ограничения длительности рабочего цикла решается путем правильного выбора бутстрепного конденсатора (7), который также должен соответствовать общим требованиям системы при запуске (8).

Встроенная бутстрепная схема способна полностью решить все перечисленные выше проблемы и устранить ограничения.

Если вместо бутстрепного диода использовать GaN-транзистор, то уровень потерь бутстрепной схемы существенно снизится, так как собственная выходная емкость GaN-ключа мала. Кроме того, GaN-транзисторы не подвержены накоплению неосновных носителей и, в отличие от диодов, не накапливают заряд обратного восстановления, что еще больше уменьшает уровень потерь. Последняя особенность устраняет потери на восстановление диода и предотвращает риск отказа диода вследствие dV/dt.

Ограничение, связанное с появлением перенапряжения на бутстрепном конденсаторе CBOOT, может быть преодолено с помощью дополнительных интегральных блоков. На рисунке 7 показана блок-схема ИС, которая объединяет GaN-полумост, драйверы верхнего и нижнего плеча, бутстрепную схему (BOOTSTRAP) и стабилизатор напряжения (REG). В данном случае в бутстрепной схеме вместо диода используется высоковольтный МОП-транзистор и регулятор напряжения (REG). Таким образом, напряжение с бутстрепного конденсатора подается на драйвер не напрямую, а через регулятор напряжения. Такой подход исключает возможность приложения повышенного напряжения к затвору верхнего силового транзистора.

Встроенная бутстрепная схема позволяет существенно уменьшить площадь, занимаемую на печатной плате, по сравнению с решениями на дискретных компонентах. Это связано с тем, что дискретные компоненты необходимо расставлять на значительном расстоянии друг от друга, чтобы обеспечить необходимый уровень изоляции.

Монолитная интегральная схема, содержащая интегрированный GaN-полумост, драйверы верхнего и нижнего плеча, бутстрепную схему и схему сдвига уровня

Рис. 7. Монолитная интегральная схема, содержащая интегрированный GaN-полумост, драйверы верхнего и нижнего плеча, бутстрепную схему и схему сдвига уровня

2.6 Встроенная высоковольтная схема сдвига уровня

В полумостовых топологиях уровни напряжения драйвера верхнего ключа и схемы управления согласовываются с помощью схемы сдвига уровня, которая должна выдерживать значительную разность напряжения и существенные токи перезаряда емкостей. В GaN-микросхемах используется уникальная схема сдвига уровня. Чтобы сохранить высокую эффективность и адекватный уровень рассеиваемой мощности, схема сдвига не должна потреблять ток во время включения транзистора. Даже умеренный ток 1 мА может привести к рассеиванию до 0,5 Вт мощности. Для решения этой задачи используют импульсные схемы сдвига (8).

Высокая эффективность системы может быть достигнута при использовании схемы сдвига уровней, которая обеспечивает:

  1. Быстрое преобразование уровня. Это позволяет уменьшить длительность обратной проводимости на стороне высокого напряжения в течение мертвого времени (Tprop <50 нс).
  2. Малые потери при работе на высоких частотах. Использование импульсных сигналов значительно уменьшает рассеиваемую мощность. Амплитуда и длительность импульсов должны быть оптимальными, чтобы соответствовать требованиям выбранной топологии, как показано на рисунке 8.
  3. Устойчивость к dv/dt до 200 В/нс. Логика схемы сдвига должна быть способна отличить реальные импульсы управления от шумов, вызванных быстрым переключением силового транзистора.

Традиционная схема сдвига уровня для высоковольтного драйвера затвора

Рис. 8. Традиционная схема сдвига уровня для высоковольтного драйвера затвора

2.7 Надежность

В большинстве кремниевых интегральных драйверов имеются паразитные диоды, которые при прямом или обратном пробое могут вызвать паразитное защелкивание. Конечный результат такого защелкивания не поддается прогнозированию и может варьироваться от временной неправильной работы устройства до его полного отказа (8).

Интегральные силовые GaN-микросхемы не имеют паразитных диодов, что делает их устойчивыми к защелкиванию.

Силовые GaN-микросхемы продемонстрировали отличные показатели надежности при статических и динамических испытаниях, а также при выполнении термоциклирования. Микросхемы прошли следующие испытания: High Temperature Reverse Bias (1000 часов при 150 °C, 520 В VDS), High Temperature Operating Life (1000 часов при 150 ° C, режим переключений ZVS), ESD 1000 В HBM и 500 В CDM.

Также были проведены дополнительные тесты, чтобы подтвердить соответствие квалификационным стандартам Jedec.

3. Заключение

В данной статье были рассмотрены интегральные GaN-микросхемы, объединяющие GaN-транзистор, драйвер затвора, схему защиты от пониженного напряжения и схему управления скоростью dV/ dt. Эти микросхемы обеспечивают увеличение эффективности и плотности мощности, а также упрощают использование eMode GaN-транзисторов при разработке источников питания.

Интеграция драйвера и силового транзистора на одном кристалле позволяет свести к минимуму паразитную индуктивность в контуре управления затвором, и, тем самым, обеспечить надежную работу на высокой рабочей частоте (МГц) и существенно увеличить эффективность.

Благодаря высокой рабочей частоте, габариты пассивных компонентов, а значит и самого преобразователя могут быть существенно уменьшены.

GaN-микросхемы могут быть изготовлены с использованием технологии «нитрид-галлия на кремнии» с рейтингом напряжения 650В.

Во второй части цикла проводится обзор GaN-микросхем NV6113/15/17 от компании Navitas Semiconductor.

Производитель: Navitas Semiconductor
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
NV6113TR-ND
NV6113TR-ND
Navitas Semiconductor
Арт.: 3413233 ИНФО PDF
626,04
Поиск
предложений
Интегральная GaN-микросхема со встроенным 650 В GaN-транзистором с сопротивлением открытого канала 300 м. Объединяет в одном корпусе нитрид-галлиевый транзистор, драйвер и управляющую логику.
NV6113TR-ND 626,04
-
Поиск
предложений
NV6113CT-ND
NV6113CT-ND
Navitas Semiconductor
Арт.: 3413234 ИНФО PDF
626,04
Поиск
предложений
Интегральная GaN-микросхема со встроенным 650 В GaN-транзистором с сопротивлением открытого канала 300 м. Объединяет в одном корпусе нитрид-галлиевый транзистор, драйвер и управляющую логику.
NV6113CT-ND 626,04
-
Поиск
предложений
NV6113DKR-ND
NV6113DKR-ND
Navitas Semiconductor
Арт.: 3413235 ИНФО PDF
626,04
Поиск
предложений
Интегральная GaN-микросхема со встроенным 650 В GaN-транзистором с сопротивлением открытого канала 300 м. Объединяет в одном корпусе нитрид-галлиевый транзистор, драйвер и управляющую логику.
NV6113DKR-ND 626,04
-
Поиск
предложений
NV6115CT-ND
NV6115CT-ND
Navitas Semiconductor
Арт.: 3413236 ИНФО PDF
871,98
Поиск
предложений
Интегральная GaN-микросхема со встроенным 650 В GaN-транзистором с сопротивлением открытого канала 170 мО.
NV6115CT-ND 871,98
-
Поиск
предложений
NV6117TR-ND
NV6117TR-ND
Navitas Semiconductor
Арт.: 3413237 ИНФО PDF
622,09
Поиск
предложений
Интегральная GaN-микросхема со встроенным 650 В GaN-транзистором с сопротивлением открытого канала 120 мОм.
NV6117TR-ND 622,09
-
Поиск
предложений
NV6117CT-ND
NV6117CT-ND
Navitas Semiconductor
Арт.: 3413238 ИНФО PDF
1185,00
Поиск
предложений
Интегральная GaN-микросхема со встроенным 650 В GaN-транзистором с сопротивлением открытого канала 120 мОм.
NV6117CT-ND 1185,00
-
Поиск
предложений
NV6117DKR-ND
NV6117DKR-ND
Navitas Semiconductor
Арт.: 3413239 ИНФО PDF
1185,00
Поиск
предложений
Интегральная GaN-микросхема со встроенным 650 В GaN-транзистором с сопротивлением открытого канала 120 мОм.
NV6117DKR-ND 1185,00
-
Поиск
предложений

Сравнение позиций

  • ()