Нитрид-галлиевые силовые ключи и платформа All-Switch от VisIC Technologies (Application note AN01V650)

Постоянно растущий спрос на повышение энерговооруженности транспортных средств и рекуперацию энергии, глобальное увеличение объемов хранения и обработки информации, а также ужесточение государственного регулирования в области энергоэффективности вынуждают разработчиков повышать эффективность и удельную мощности создаваемых ими силовых систем.

VisIC Technologies, идя навстречу современным требованиям, предлагает свою высоковольтную технологию High Voltage GaN Power Semiconductor Technology в сочетании с платформой ALL-Switch™ (Advanced Low Loss Switch).

В данной статье рассматриваются характеристики и особенности корпусных исполнений силовых GaN-модулей от VisIC. Особый акцент делается на применение GaN-технологии для высоковольтных, высокомощных и высокочастотных приложений.

Особенности переключений GaN-транзисторов от VisIC

Для достижения высокой эффективности и безопасности компания VisIC разработала платформу ALL-Switch™. ALL-Switch™ – это MCM-модули (multi chip module), выпускаемые в особом корпусном исполнении для поверхностного монтажа (SMT). Их основными отличительными чертами являются:

• низкая индуктивность на высоких частотах;
• низкие динамические потери (Рис. 1);
• нормально разомкнутое состояние ключа (Noff);
• низкое тепловое сопротивление.

Рис. 1.	Энергия переключения V80N65B.

GaN-модули выпускаются с верхним и нижним расположением теплоотводящей площадки (Рис. 2).

Рис. 2.	Силовые ключи доступны с верхним и нижним расположением теплоотводящей площадки.

Модули ALL-Switch™ используют три основных технологических решения:

• схема включения обеспечивает нормально закрытое состояние силового ключа Noff;
• прямое управление D-Mode GaN HEMT (High Electron Mobility Transistor) с помощью запатентованной схемы;
• EMPACK: SMT-корпус со встроенной подложкой AlN для обеспечения электрической изоляции и повышения тепловой проводимости.

Нормально замкнутое состояние GaN-модулей ALL-Switch™

В модулях ALL-Switch™ схема включения размещается непосредственно перед силовым GaN-транзистором. Она обеспечивает надежное и безопасное нормально разомкнутое состояние даже при повреждении драйвера или источника питания (AUX).

Схема включения выполняет две функции:

• Noff – обеспечение нормально разомкнутого состояния силового ключа;
• UVLO (Under Voltage Lock Out)– защита от просадок напряжения.

Схема Noff включает два низковольтных кремниевых p-MOSFET (Q2 и Q3), один быстрый диод Шоттки D1 и резистор подтяжки (Рис. 3). Именно эта схема гарантирует нормально разомкнутое состояние GaN-ключа.

Рис. 3.	Внутренняя схема V80N65B.

Схема Noff может оказаться в трех рабочих состояниях:

• Высокое напряжение HV приложено только к стоку и истоку. В таком случае, так как транзистор Q2 выключен, на его истоке присутствует высокое напряжение, поэтому на затворе силового ключа формируется отрицательный потенциал через диод D1, который приводит к выключению GaN-транзистора.
• Высокое напряжение HV приложено к стоку и истоку, а драйвер подключен ко входам Gate, VDD и GND (без питания AUX). В таком случае Q3 находится в выключенном состоянии и разрывает путь протекания тока от драйвера, а схема работает, как и в первом случае.
• При нормальной работе Q2 и Q3 находятся во включенном состоянии. GaN-транзистор управляется напрямую от драйвера. Ток проходит через GaN-ключ и транзистор Q2.

Схема защиты от просадок напряжения UVLO состоит из биполярного транзистора с некоторым смещением (Q4) и 9 В стабилитрона (Рис. 3).

UVLO блокирует работу GaN-модуля при включении и выключении питания драйвера, или когда напряжение питания VDD находится ниже минимально допустимого уровня.

Принцип работы схемы защиты UVLO следующий: напряжение питания контролируется с помощью стабилитрона. Если оно превышает 9 В, то биполярный транзистор Q4 включается и разрешает работу транзисторов Q2 и Q3. Если напряжение AUX опускается ниже 9 В, то схемы защиты UVLO переводит GaN-ключ в нормально разомкнутое состояние с помощью схемы Noff.

Наличие схем Noff и UVLO в GaN-модулях VisIC представлено на Рис. 4.

Рис. 4.	Функции Noff и UVLO в силовых ключах от Visic.

Структура GaN-транзистора

Структура GaN-транзистора HEMT от VisIC предполагает горизонтальное протекание тока (Рис. 5).

Рис. 5.	Структура GaN HEMT.

Эпитаксиальная AlGaN/ GaN-гетероструктура формирует канал двумерного электронного газа (ДЭГ) с высокой концентрацией и отличной подвижностью носителей.

Особенностями такой структуры являются:

• Формируемый GaN-транзистор имеет рейтинг напряжения 650 В.
• GaN-транзистор является нормально открытым ключом. При напряжении затвор-исток 0 В канал полностью открыт и обеспечивает протекание тока. При отрицательном напряжении затвор-сток Vth = -7 В канал закрывается, и через него проходит весьма низкий ток утечки (Рис. 6).

Рис. 6.	Вольт-амперная характеристика V80N65B.

Как видно из вольт-амперной характеристики, изображенной на Рис. 6, при отрицательном смещении ток зависит от напряжения затвор-исток (Vgs).

• При напряжениях Vth < Vgs < 0 В канал способен проводить ток в обоих направлениях. При этом потери составляют Pcond = Isd² × R_DS(ON),TJ.
• При напряжениях Vgs < Vth (Vgs < -6 В) характер изменения сопротивления канала похож на сопротивление диода и зависит от приложенного напряжения затвора. При этом потери составляют Pcond = Isdx Vsd (при заданном Vgs).

Восстановление GaN-транзисторов

В структуре GaN-транзистора нет обратного диода и, как следствие, отсутствует процесс обратного восстановления. Вместо этого транзистор способен пропускать обратный ток в обоих направлениях. Сопротивление обратной проводимости зависит от напряжения затвор-сток.

Так как транзистор может пропускать ток в обратном направлении, эта особенность может быть смоделирована с помощью встроенного обратного диода. Этот диод имеет большое прямое падение напряжения и в нем отсутствует накопление заряда.

Рис. 7.	Время восстановления обратного диода Si-MOSFET и GaN HEMT.

Как видно из Рис. 5, Si MOSFET Qrr > GaN Qoss, таким образом, потери в кремниевом транзисторе больше, чем в GaN-ключе HEMT.

Особенности управления GaN-транзисторами

При работе со всеми силовыми GaN-модулями платформы ALL-Switch™ следует учитывать следующие особенности:

• Рекомендуемое напряжение питания драйвера составляет +12 В;
• Затвор модулей ALL-Switch™ подключается к выходу драйвера через последовательный резистор.

У схемы включения GaN-модулей V80N65B и V150N65B есть дополнительные особенности:

• Исток силовых GaN-модулей платформы ALL-Switch™ следует подключать к цепи питания драйвера VDD (Рис. 8), в отличие от кремниевых полевых транзисторов, у которых исток подключается к земле GND (Рис. 9). Такое включение позволяет использовать для управления GaN-транзисторов стандартные 12 В драйверы.
• Вывод GND подключается к цепи драйвера GND.

Рис. 8.	Схема управления V80N65B.

Рис. 9.	Схема управления стандартным N-канальным MOSFET.

Схема включения модуля V22N65A также имеет особенности. Так как в данном модуле отсутствует встроенная схема защиты от просадки напряжения UVLO, то ее необходимо реализовать самостоятельно с помощью внешних компонентов (Рис. 10).

Рис. 10.	Схема управления V22N65A.

Если на выходе контроллера присутствует сигнал выключения OFF, то напряжение затвор-исток (VGS) GaN-транзистора составляет –12 В, однако относительно земли драйвера (GND) напряжение равно 0 В.

Если на выходе контроллера присутствует сигнал включения ON, то напряжение VGS для GaN-транзистора составляет 0 В, однако относительно земли драйвера напряжение равно 12 В.

Для нормальной работы транзисторов верхнего и нижнего плеча необходимо наличие изолированного питания драйвера (Рис. 11).

Рис. 11.	Питание драйверов верхнего и нижнего ключа с помощью дополнительных изолированных ИП.

Особенности печатных плат для схем с GaN-транзисторами

Силовые GaN-модули платформы ALL-Switch™ предназначены для быстрых и высокочастотных переключений. Для достижения максимальной производительности и эффективности необходимо ответственно подходить к разработке силовых цепей и цепей схемы управления.

Петля цепи управления затвором, идущая от выхода драйвера к затвору силового модуля и обратно к выводу GND драйвера, должна быть максимально короткой для уменьшения паразитной индуктивности (Рис. 12).

Рис. 12.	Топология печатной платы с GaN-ключом.

Расчет тепловых характеристик

В модулях ALL-Switch™ используется особое корпусное исполнение EMPACK. Корпуса EMPACK имеют встроенную керамическую подложку (AlN), которая необходима для эффективной передачи тепла от GaN-кристалла к печатной плате.

При проведении симуляции тепловое сопротивление V80N65B с нижним расположением теплоотводящей площадки составило R_JC = 1.8 C/Вт.

Существует два подхода для обеспечения оптимального отвода тепла:

• Использование полигона металлизации с переходными отверстиями (via);
• Применение встроенной в плату медной вставки (Copper inlay).

Использование полигона с переходными отверстиями является традиционным и наиболее часто применяемым решением. Тепловое сопротивление массива переходных отверстий сильно зависит от различных факторов и составляет от 2 C/Вт до 5 C/Вт. Инженеры компании VisIС рекомендуют использовать параметры переходных отверстий, указанные на Рис. 13.

Рис. 13.	Параметры переходных отверстий.

Использование встроенной медной вставки обеспечивает наилучшее качество теплоотвода, но с технологической точки зрения является более сложным решением. Компания VisIС рекомендует согласовывать возможность реализации медных вставок с производителем печатных плат.

На следующем рисунке приведены габаритные размеры медной вставки для стандартной печатной платы толщиной 1.6 мм. Для обеспечения оптимальной теплопередачи толщина вставки должна быть равна толщине платы.

Рис. 14.	Размер медной вставки (Copper inlay).

Расчет теплового сопротивления печатной платы с медной вставкой достаточно прост, и выполняется по следующей формуле:

где l – длина, A – площадь, K – теплопроводность.

Использование термопасты для улучшения передачи тепла

Компания VisIС настоятельно рекомендует использовать термопасты. При этом нет необходимости изолировать радиатор, так как теплоотводящая керамическая подложка уже изолирована.

Рекомендуемая толщина слоя термопасты составляет 0.1 мм. При этом, например, для термопасты MX-4 с теплопроводностью K = 8.5 мВт/K ориентировочное тепловое сопротивление составит:

Следует избегать большой толщины слоя термопасты, так как это только увеличивает тепловое сопротивление. Термопаста неэффективна при наличии больших перепадов между теплопроводящими поверхностями.

Характеристики силовых транзисторов 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 15 × 18 × 2.25 мм.

Характеристики силовых транзисторов V150N65B:

• напряжение сток-исток: 650 В;
• сопротивление открытого канала: 150 мОм;
• импульсный ток: 22 А;
• постоянный ток: 14 А;
• пороговое напряжение: 5 В;
• диапазон напряжений затвор-исток: 0…15 В;
• заряд затвора: 9 нКл;
• рабочий диапазон температур: -55...150 °C;
• корпус: 22-выводной 10 × 10 × 2.5 мм.

Посмотреть более подробно технические характеристики силовых транзисторов Visic