Твердая пятерка. Новое поколение eGaN-транзисторов от EPC

Компания EPC анонсировала очередное, уже пятое по счету (Gen5), поколение своих нитрид-галлиевых транзисторов с улучшенной структурой eGaN. Новые транзисторы по-прежнему представляют собой нормально разомкнутые ключи, но отличаются от предшественников четвертого поколения (Gen4) вдвое меньшими габаритами и улучшенными динамическими характеристиками (Рис. 1). Пока что речь идет о трех представителях EPC2045, EPC2046 и EPC2047 с сопротивлениями каналов 7 мОм, 25 мОм и 10 мОм, соответственно.

Рис. 1.	Пятое поколение eGaN-транзисторов от EPC.

Портал Унитера внимательно следит за новостями от компании EPC, которую по праву можно считать одним из лидеров рынка нитрид-галлиевых транзисторов. Именно EPC перовой начала серийный выпуск нормально разомкнутых нитрид-галлиевых ключей с улучшенной структурой eGaN. Огромный потенциал новых транзисторов был заметен уже при тестировании ключей первого поколения. При этом представители каждой новой генерации превосходили предшественников по всем ключевым параметрам. Новое пятое поколение eGaN не нарушило данной традиции.

На настоящий момент анонсировано появление трех представителей нового поколения.

EPC2045 – силовой ключ с рейтингом напряжения 100 В и сопротивлением канала 7 мОм.

EPC2046 – транзистор с рабочим напряжением 200 В и сопротивлением 25 мОм.

EPC2047 – транзистор, с рекордным значением сопротивления канала 10 мОм, предназначенный для коммутации напряжений до 200 В.

Если проводить сравнение новых ключей с предшественниками из четвертого поколения с теми же значениями сопротивления канала, то окажется, что новые транзисторы отличаются вдвое меньшими габаритами. Например, 200 В ключ EPC2010C имеет сопротивление канала 25 мОм и занимает на плате 6 мм², в то время как его прямой конкурент EPC2046 требует всего 3 мм². Схожая ситуация наблюдается при сравнении EPC2001C и EPC2045, а также EPC2034 и EPC2047 (Рис. 2). Интересно, что для EPC2045, несмотря на уменьшение габаритов, шаг выводов увеличился до 450 мкм, что значительно упрощает разводку печатных плат.

Рис. 2.	Габариты Gen5 транзисторов в два раза меньше, чем у транзисторов Gen4.

Снижение габаритов было достигнуто за счет уменьшения удельного сопротивления ключа на единицу площади полупроводникового кристалла (Рис. 3). График зависимости удельного сопротивления от рейтинга напряжения позволяет сравнить различные технологий транзисторов. По данным, предоставленным компанией EPC, можно судить о том, что при прочих равных условиях, ключи нового пятого поколения с рейтингом напряжений 100…200 В имеют вдвое меньшее значение сопротивления открытого канала, чем у представителей предыдущего поколения. Сравнение с кремниевыми транзисторами оказывается еще более красноречивым. У новых eGaN-ключей с рейтингом 100 В сопротивление в четыре раза меньше, а для ключей с рейтингом 200 В сопротивление меньше в 16 раз.

Рис. 3.	Размеры кристалла у 200 В транзисторов Gen5 в 16 раз меньше, чем у аналогичных кремниевых ключей.

Еще одним важным преимуществом новых eGaN-ключей над предшественниками стало снижение паразитных емкостей и зарядов затвора, что привело к уменьшению потерь на переключение и, как следствие, к снижению уровня динамических потерь.

О возможностях новых ключей можно судить по результатам испытаний, выполненных компанией EPC. В одном из тестов проводилось сравнение эффективности различных 100 В транзисторов, работающих в равных условиях в составе одного и того же импульсного понижающего преобразователя 48 В/ 5 В (Рис. 4). В испытании принимали участие ключи четвертого и пятого поколений eGaN, а также кремниевые транзисторы. Как видно из графика, транзисторы пятого поколения EPC2045, по сравнению с eGaN четвертого поколения EPC2001C, «прибавили» от 0.5 % до 2.5 % при различных выходных токах. Преимущество над кремниевыми ключами составило 2.5…5%.

Рис. 4.	Сравнение КПД понижающего преобразователя на базе различных транзисторов.

Аналогичное испытание было проведено и для ключей с рейтингом напряжения 200 В (Рис. 5). В качестве базовой схемы был выбран понижающий преобразователь 160/16 В с частотой коммутации 100 кГц и 200 кГц. Как и следовало ожидать, с ростом частоты преимущество новых транзисторов только увеличивалось. Так, например, при токе 2 А и частоте 100 кГц разница в КПД между EPC2046 и EPC2010C составила около 0.5%, а при частоте 200 кГц достигла 1%.

Рис. 5.	Сравнение КПД понижающего преобразователя на базе eGaN- транзисторов поколений Gen4 и Gen5.

Снижение габаритов привело к еще одному позитивному улучшению. Так как транзисторы Gen5 используют кристалл меньшего размера, то при тепловых ударах суммарная величина его деформации оказывается не такой значительной как раньше. Здесь стоит вспомнить, что для eGaN-ключей это особенно важно, так как в них слои нитрида галлия выращиваются на кремниевом основании, и задача согласования коэффициентов теплового расширения для этих материалов является критической. Именно эта технологическая проблема долгое время тормозила начало выпуска GaN-транзисторов.

По данным компании EPC транзисторы EPC2046 выдерживают в три раза больше тепловых циклов с перегревом до 100 °C, чем EPC2010C (Рис. 6). Интересно, что разница по тому же параметру между EPC2034 и EPC2047 составляет только 30%, что объясняется тем, что эти ключи отличаются по площади, но имеют примерно одинаковую длину.

Рис. 6.	Транзисторы Gen5 более устойчивы к перепадам температур.

Стоит отметить и недостатки новых ключей. Из-за уменьшения размеров кристалла эффективность теплоотвода также снизилась. Это выражается в увеличении теплового сопротивления. Так, например, тепловое сопротивление переход-плата для EPC2046 оказывается почти в пять раз больше, чем у EPC2010C: 13 °C/Вт против 2.7 °C/Вт. Близкие соотношения наблюдаются и у других двух сравниваемых пар.

Проводя обзор новых транзисторов, нельзя не упомянуть про отладочные комплекты, предлагаемые для их освоения. Инженеры EPC пошли по традиционному пути и предложили по одному набору для каждого ключа.

EPC9078 – отладочный набор, включающий полумост из пары транзисторов EPC2045, драйвер LM5113 от Texas Instruments и логику управления (Рис. 7). Плата работает с напряжениями до 80 В и выходными токами до 20 А. Для питания драйвера используется источник 7.5…12 В.

Рис. 7.	Внешний вид и структура оценочного набора EPC9078.

EPC9080 – отладочный набор по структуре аналогичный EPC9078. В данном случае в качестве верхнего плеча полумоста выбран транзистор EPC2045, а для нижнего плеча используется EPC2022. Выходной ток этого набора составляет 30 А.

Рис. 8.	Внешний вид и структура оценочного набора EPC9080.

EPC9081 – изолированный полумостовой преобразователь, построенный на базе 200 В транзисторов EPC2047. Для гальванической развязки используются оптические изоляторы Si8610BCВ от Silicon Labs. Управление ключами производится с помощью драйверов UCC27611 от Texas Instruments. Преобразователь работает с рабочими напряжениями до 160 В и выходными токами до 15 А.

Рис. 9.	Внешний вид и структура оценочного набора EPC9081.

Можно полагать, что новые ключи будут иметь те же области применения, что и транзисторы предыдущих поколений: высокочастотные источники питания, беспроводные зарядные устройства, корректоры коэффициента мощности, лидары, блоки питания для светодиодов, приводы электромоторов, аудиоусилители и т. д.

В качестве вывода для этой статьи приведем основные преимущества новых eGaN-транзисторов от EPC над своими предшественниками:

• меньшее значение удельного сопротивления на единицу площади кристалла;
• меньшие габариты;
• меньшее значение паразитных емкостей и, как следствие, более высокая эффективность при работе в импульсных устройствах;
• увеличение стойкости к тепловым ударам.

Характеристики комбинированного датчика EPC2045:

• рейтинг напряжения сток-исток: 100 В;
• постоянный ток: 16 А;
• импульсный ток: 130 А;
• пороговое напряжение: 0.8…2.5 В;
• сопротивление открытого канала: 5.6 мОм (типовое);
• диапазон рабочих температур: −40…150 °C;
• корпусное исполнение: 2.5 × 1.5 мм.

Характеристики комбинированного датчика EPC2047:

• рейтинг напряжения сток-исток: 200 В;
• постоянный ток: 32 А;
• импульсный ток: 160 А;
• пороговое напряжение: 0.8…2.5 В;
• сопротивление открытого канала: 7 мОм (типовое);
• диапазон рабочих температур: −40…150 °C;
• корпусное исполнение: 4.6 × 1.6 мм.

Характеристики отладочного набора EPC9078:

• тип схемы: полумост с драйверами и блокировочными конденсаторами;
• тип транзисторов: EPC2045;
• максимальное напряжение шины: 80 В;
• выходной ток: 20 А;
• напряжение драйверов: 7.5…12 В;
• сигналы управления: Uвкл = 3.5…6 В; Uвыкл = 0…1.5 В.

Посмотреть более подробно технические характеристики eGaN-транзисторов от EPC