Преимущества интеграции GaN-транзистора и драйвера в одной микросхеме. Часть 2

Долгое время распространение нитрид-галлиевых транзисторов ограничивалось из-за различных проблем. Главная технологическая проблема заключалась в необходимости согласования тепловых характеристик материалов в технологии «нитрид галлия на кремнии». Вторая группа проблем носила несколько другой характер и была связана с неудобством использования GaN-транзисторов. Перечисленные проблемы были успешно решены, что повлекло за собой появление на рынке множества конкурентоспособных GaN-ключей. 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
1519
В избранное

Долгое время распространение нитрид-галлиевых транзисторов ограничивалось из-за различных проблем. Главная технологическая проблема заключалась в необходимости согласования тепловых характеристик материалов в технологии «нитрид галлия на кремнии». Вторая группа проблем носила несколько другой характер и была связана с неудобством использования GaN-транзисторов. По умолчанию это были нормально замкнутые ключи с отличными от кремниевых ключей пороговыми напряжениями. Все перечисленные проблемы были успешно решены и на рынке появилось множество конкурентоспособных GaN-ключей, в том числе нормально разомкнутые GaN-ключи, выполненные по каскодной схеме, и eMode GaN-транзисторы. 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.

В предыдущей статье было показано, что паразитная индуктивность в цепи управления затвором создает множество проблем, как с точки зрения ЭМС, так и с точки зрения роста потерь. Традиционные методы борьбы, например, использование дополнительного затворного резистора Rg, имеют ограниченную эффективность. В то же время интеграция драйвера и силового GaN-ключа в одной микросхеме дает более ощутимые результаты (рис. 1).

Микросхемы NV6113/15/17 от компании Navitas Semiconductor 

Рис. 1. Микросхемы NV6113/15/17 от компании Navitas Semiconductor объединяют в одном корпусе нитрид-галлиевый транзистор, драйвер и управляющую логику

Интегральные GaN-микросхемы обеспечивают целый ряд преимуществ: оптимальное решение проблемы паразитной индуктивности в контуре управления, уменьшение уровня электромагнитных помех при коммутациях, упрощение схемотехнической реализации импульсных преобразователей, упрощение трассировки печатной платы, сокращение числа используемых дискретных компонентов, уменьшение площади, занимаемой на печатной плате, общее уменьшение стоимости системы. Кроме того, не стоит забывать и о тех преимуществах, которые обеспечивают сами GaN-транзисторы, в том числе отличную нагрузочную способность, высокую рабочую частоту и минимальный уровень потерь.

Компания Navitas Semiconductor предлагает семейство интегральных GaN-микросхем, которые объединяют в одном корпусе нитрид-галлиевый транзистор, драйвер и управляющую логику:

  • NV6113 со встроенным 650 В GaN-транзистором с сопротивлением открытого канала 300 мОм;
  • NV6115 со встроенным 650 В GaN-транзистором с сопротивлением открытого канала 170 мОм;
  • NV6117 со встроенным 650 В GaN-транзистором с сопротивлением открытого канала 120 мОм.

Все микросхемы NV611x выпускаются в малогабаритном корпусе QFN 5x6 мм толщиной всего 0,85 мм (рис. 2).

Микросхемы NV6113/15/17 имеют компактное корпусное исполнение QFN 5x6 мм

Рис. 2. Микросхемы NV6113/15/17 имеют компактное корпусное исполнение QFN 5x6 мм

Кроме драйвера и GaN-транзистора в состав микросхем NV611x входит регулятор напряжения и цепь управления скоростью изменения dV/dt (рис. 3).

В состав NV611x входит регулятор напряжения и схема управления скоростью изменения dV/dt

Рис. 3. В состав NV611x входит регулятор напряжения и схема управления скоростью изменения dV/dt

В предыдущей части данного цикла было показано, что встроенный регулятор позволяет обеспечить стабильность управляющего напряжения на затворе транзистора и тем самым гарантировать его надежную работу. Выходное напряжение регулятора (6,2 В) задает внешний стабилитрон, подключаемый к выводу Dz.

Схема управления dV/dt позволяет обеспечить требования ЭМС. GaN-ключи отличаются сверхбыстрыми переключениями, что может стать проблемой с точки зрения помех. В микросхемах NV611x скорость dV/dt регулируется с помощью внешнего резистора RDD, подключаемого ко входу VDD. Зависимость dV/dt от сопротивления RDD представлена на рис. 4.

Управление скоростью dV/dt с помощью внешнего резистора RDD

Рис. 4. Управление скоростью dV/dt с помощью внешнего резистора RDD

Микросхемы NV611x способны работать с рекомендуемым диапазоном напряжений питания 10…24 В (максимально допустимое значение 30 В). Пример типовой схемы включения NV611x изображен на рис. 5. В данном примере ШИМ-сигнал управления подается через входной RC-фильтр. Этот фильтр призван защитить схему от ложных включений при возникновении выбросов напряжения из-за значительной паразитной индуктивности между NV611x и внешней системой управления.

Типовая схема включения NV611x с дополнительным НЧ-фильтром на входе PWM

Рис. 5. Типовая схема включения NV611x с дополнительным НЧ-фильтром на входе PWM

Максимальный постоянный ток для микросхем NV6113/5/7 при температуре кристалла 100 °С составляет соответственно 5/ 8/ 12 А. При необходимости уменьшения тока и распределения генерируемого тепла допускается параллельное включение двух микросхем (рис. 6). При этом речь идет только о работе в составе PFC-преобразователя с граничным режимом непрерывных токов. В данном случае проводящий рисунок должен выполняться максимально симметрично.

В ряде случаев допускается параллельное включение до двух микросхем NV611x

Рис. 6. В ряде случаев допускается параллельное включение до двух микросхем NV611x

Типовыми приложениями для микросхем NV611x являются:

  • AC-DC, DC-DC, DC-AC-преобразователи;
  • Понижающие, повышающие, полумостовые, мостовые-схемы;
  • Обратноходовые схемы с активным ограничением, резонансные LLC-преобразователи;
  • Усилители мощности класса D;
  • Зарядные устройства и адаптеры.

Типовые примеры использования NV611x изображены на рис. 7.

Типовые примеры использования NV611x

Рис. 7. Типовые примеры использования NV611x

Несмотря на то, что использование NV611x существенно упрощает трассировку и компоновку печатной платы, тем не менее, разработчик должен следовать ряду установленных рекомендаций (рис. 8):

  • Размещайте фильтры и другие компоненты обвязки максимально близко от ИС. Речь идет о компонентах CVCC, CVDD, RPWM, CPWM, R DD и DZ.
  • Разделяйте землю слаботочных и силовых цепей. Все компоненты обвязки, кроме развязывающих конденсаторов, относятся к слаботочным цепям.
  • Для улучшения качества отвода тепла следует размещать дополнительные переходные отверстия непосредственно под корпусом ИС.
  • Также для улучшения качества теплоотвода следует использовать дополнительные слои сплошной металлизации.
  • Для обеспечения оптимальной трассировки рекомендуется использовать как минимум четырехслойную печатную плату с толщиной металлизации 70 мкм. С одной стороны это позволит обеспечить хороший отвод тепла, а с другой стороны плотное размещение компонентов.

Рекомендуемый пример правильной компоновки печатной платы с NV611x изображен на рис. 8. На рис. 9 изображен еще один пример для случая с использованием токоизмерительных резисторов, включенных между землей и истоком.

Пример компоновки и трассировки печатной платы с NV611x

Рис. 8. Пример компоновки и трассировки печатной платы с NV611x

Пример компоновки и трассировки печатной платы с NV611x и токоизмерительными резисторами

Рис. 9. Пример компоновки и трассировки печатной платы с NV611x и токоизмерительными резисторами

Чтобы продемонстрировать возможности микросхем NV611x, была создана демонстрационная плата источника питания NVE031E (рис. 10). NVE031E содержит схему ККМ и резонансный DC/DC LLC-преобразователь.

ККМ работает в граничном режиме непрерывных токов и использует пару включенных параллельно микросхем NV6115, управляемых контроллером NCP1615 от компании ON Semi.

Резонансный LLC-преобразователь также построен на базе микросхем NV6115 и управляется контроллером NCP13992 от компании ON Semi. Причем, так как микросхемы NV6115 имеют собственные встроенные драйверы, то драйверы контроллера NCP13992 не используются.

Внешний вид демонстрационной платы источника питания NVE031E

Рис. 10. Внешний вид демонстрационной платы источника питания NVE031E

Мощность NVE031E составляет 150 Вт, а КПД достигает 94,5 % при токе 7 А и входном сетевом напряжении 230 В (рис. 11).

Зависимость КПД демонстрационной платы NVE031E от нагрузочного тока

Рис. 11. Зависимость КПД демонстрационной платы NVE031E от нагрузочного тока

Характеристики GaN-микросхемы NV6115:

  • Рейтинг напряжения: 650 В;
  • Сопротивление открытого канала: 170 мОм.
  • Максимальная рабочая частота: 2 МГц;
  • Постоянный ток: 8 А;
  • Импульсный ток (Tj = 25 °С): 16 А;
  • Импульсный ток (Tj = 125 °С): 12 А;
  • Напряжение питания: 10…24 В (рекомендуемое);
  • Потребление: 2,3 мА (1 МГц);
  • Диапазон рабочих температур: -40…125 °С;
  • Корпус: QFN 5 x 6 x 0,85 мм.

О компании:

Navitas Semiconductor – американская компания, основанная в 2014 году в Лос-Анжелесе. Компания специализируется на разработке и производстве нитрид-галлиевых транзисторов, а также GaN-микросхем, объединяющих в одном корпусе нитрид-галлиевый транзистор, драйвер и управляющую логику.

Предыдущая глава:

Производитель: Navitas Semiconductor
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
NV6113TR-ND
NV6113TR-ND
Navitas Semiconductor
Арт.: 3413233 ИНФО PDF
707,87
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 707,87
-
Поиск
предложений
NV6113CT-ND
NV6113CT-ND
Navitas Semiconductor
Арт.: 3413234 ИНФО PDF
707,87
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 707,87
-
Поиск
предложений
NV6113DKR-ND
NV6113DKR-ND
Navitas Semiconductor
Арт.: 3413235 ИНФО PDF
707,87
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 707,87
-
Поиск
предложений
NV6115CT-ND
NV6115CT-ND
Navitas Semiconductor
Арт.: 3413236 ИНФО PDF
985,97
Поиск
предложений
Интегральная GaN-микросхема со встроенным 650 В GaN-транзистором с сопротивлением открытого канала 170 мО.
NV6115CT-ND 985,97
-
Поиск
предложений
NV6117TR-ND
NV6117TR-ND
Navitas Semiconductor
Арт.: 3413237 ИНФО PDF
703,41
Поиск
предложений
Интегральная GaN-микросхема со встроенным 650 В GaN-транзистором с сопротивлением открытого канала 120 мОм.
NV6117TR-ND 703,41
-
Поиск
предложений
NV6117CT-ND
NV6117CT-ND
Navitas Semiconductor
Арт.: 3413238 ИНФО PDF
1339,91
Поиск
предложений
Интегральная GaN-микросхема со встроенным 650 В GaN-транзистором с сопротивлением открытого канала 120 мОм.
NV6117CT-ND 1339,91
-
Поиск
предложений
NV6117DKR-ND
NV6117DKR-ND
Navitas Semiconductor
Арт.: 3413239 ИНФО PDF
1339,91
Поиск
предложений
Интегральная GaN-микросхема со встроенным 650 В GaN-транзистором с сопротивлением открытого канала 120 мОм.
NV6117DKR-ND 1339,91
-
Поиск
предложений

Сравнение позиций

  • ()