氮化镓MOSFET应用及介绍-TPH3002PS

Transphrom–氮化镓FET(HEMT)1HEMT:HighElectronMobilityTransistor氮化镓MOSFET(600VDC,能承受周期为1uS,100nS的连续的方波,保证750V)PartNumberPackageVoltage(V)Current(A)Ron(Ohm)DescriptionTPH3245ED下载QFN5*675060.5背部金属接D极TPH3002LD下载QFN8*875090.29背部金属接D极TPH3002LS下载QFN8*875090.29背部金属接S极TPH3002PD下载TO-22075090.29背部金属接D极TPH3002PS下载TO-22075090.29背部金属接S极TPH3006LD下载QFN8*8750170.15背部金属接D极TPH3006LS下载QFN8*8750170.15背部金属接S极TPH3006PD下载TO-220750170.15背部金属接D极TPH3006PS下载TO-220750170.15背部金属接S极TPH3205WS下载TO-247750370.063背部金属接S极氮化镓FET–HEMT1,氮化镓与传统的硅MOS不一样，体内没有形成PN结，即没有体内二极管2，D,S间的导体是通过中间的电子层导通，双向可导通，即常开/NormallyOn3，当G极加负压时D,S间关断。实际应用不方便（需加负压）解决的办法，就是在体内串加一个30V的低压MOSFET解决0V关断5V导通，因此成品体内实际有两个管子硅MOS氮化镓硅材料的垂直结构使得P/N结存在即必然有慢速的寄生二极管，同时D极只能在昀下方氮化镓是采用水平结构,通过电子层导通没有形成P/N结，同时昀下方是衬底硅，氮化镓FET的结构1，氮化镓的开关速度很快，dv/dt超100v/nS.2，氮化镓体内是有SI+GaN两FET组成。相互的连线必然存在一定的寄生电感.这些需要我们在布线的时候要尽可能地靠近以尽可能减少因走线带来的寄生参数GaN,SiFET在开通，关断速度对比(Layout上注意)氮化镓FET与Cool‐Mosfet对比ParametersIPA60R160C6TPH3006PSStaticVDS600V @ 25 ⁰C600V (spike rating 750V)RDS(25 ⁰C)0.14/0.16ohm0.15/0.18ohmQg75 nC6.2 nCQgd38 nC2.2nCDynamicCo(er)66 pF [1]56 pF [1]Co(tr)314 pF [1]110 pF [1]ReverseOperationQrr8200 nC[2]54 nC[3]trr460 ns [2]30 ns [3][1] VGS= 0V, VDS= 0 –480V[2] VDS= 400V, IDS= 11.3A, di/dt= 100A/µs[3] VDS= 480V, IDS= 9A, di/dt= 450A/µs更低的驱动损耗，100mA驱动电流即可更低的米勒效应/更低的开关损耗更小的反向恢复损耗等同Rds(on)对比更小的死区时间GaN与Si在电路上的对比硅材料MOSFET/CoolMos氮化镓材料MOSFET-HEMTMOSFET发热源:1,Rds(on)损耗,2,开关损耗（硬开关模式CCM),3,体内二极管反向续流损耗,4,死区损耗(软开关模式,DCM).氮化镓MOS发热源:1,Rds(on)损耗较低的开关损耗和反向续流二极管损耗.米勒电容很小超低的结电容保证较小的死区损耗.氮化镓无体内二极管但有二极管特性t (μs)Vs(V)DT400nSt (μs)Vs(V)Ipr(A)DT120nS开关损耗对比死区损耗对比TransphormGaNFET允许750V的100nS连续的Spike750V900VMOSFETD.U.T.3MVG+-VDSPulseWidth≥1uSDutyRatio=0.1Fig.1SpikeVoltageTestCircuit•3 不同批次, 77 通过测试•通过功率器件的JEDEC标准•频率10KHz,占空比10%的750V耐压（即100nS可重复的spike电压）氮化镓器件能将设计昀简单化PFCSwitchingConditions•Vin=220vdc•Vout=400vdc•Frequency=100kHz,400w•UsesTPS2012PK;lowestloss600v/6AGaNdiode•Boostconverterefficiency=99.2%BoostdesignusingTransphorm’sGaNMOSFETandGaNDiodeproducing99%efficiencyandusingfewercomponents用传统COOL-MOSFET或一般MOSFET，需加Snubber吸收电路。此电路有几W的损耗掉了+VOUTDSGL1C1D1+VINL1Q1Q1CS1L1CS2DS1C1L1D1LS++VINDS2Efficiency (%)Loss (W)Pout(W)一般测试效率为97-98%较多一旦换成氮化镓MOSFET，效率达99.2%损耗氮化镓MOS在实际电路上的应用–CCM/硬开关硬开关电路中，损耗主要来自于以下1，Rds(on)导通损耗2，开关损耗3，体内慢速二极管的续流损耗4，Snubber吸收电路的损耗Coolmosfet199C3+SiC二极管–左边等同Rds(on)的氮化镓，其余材料不变–右边工作频率:63K工作频率：750K等同效率400WPFC板面积5x5面积3x3在保证效率一样的情况下频率提高了10倍。其它材质保持不变。体积变小一半以上Coolmos换成氮化镓，唯一的一个器件成本上升，其它器件成本均下降电路应用–CCM电路/硬开关Cool-mosC3的开关波形氮化镓的开关波形氮化镓的米勒效应比Cool-Mos的好很多。很小振荡，相应的开关损耗及EMI会好氮化镓体内没有寄生二极管，在续流方面点在优势。Mail:[e-mail]:+86-135o1775977电路应用–CCM电路/硬开关源于好的开关波形本案中差模去掉共模电感变小，成本下降PCB变成原1/3散热片去掉或变小很多-成本下降电感体积减小80%，原来10元现变小后只要2元体积明显变小体积明显变小Cool‐Mos与氮化镓FET BOOST电路上的损耗对比：100 kHzLoss breakdownPOUT(W)Eff. (%)Loss (W)GaNdevices:  TPH3006PS & TPS3411PKSi devices:      CoolMOS& QSpeeddiodesVIN/VOUT=230V/400V, f=100kHz•TransphormTotal GaNTMsolution outperforms matured Si solution•GaNcuts device loss by 33% (27.5% of total loss) at full load (1.5kW)•GaNachieves 99% efficiencyBoost电路100KCool-Mos方案上的损耗图Boost电路100K氮化镓方案上的损耗图在100K时省出1/4的损耗（紫）Boost电路100KCool-Mos方案上的损耗图Boost电路100K氮化镓方案上的损耗图在100K时省出1/4的损耗（紫）+VOUTDSGL1C1D1+VINL1Q1Cool-Mos与氮化镓FETBOOST电路上的损耗对比500 kHzPOUT(W)Eff. (%)Loss (W)GaNdevices:  GaN‐on‐Si HEMT & diodeSi devices:      CoolMOS& QSpeeddiodeVIN/VOUT=230V/400V, f=500kHz•GaN’sadvantage is amplified at high frequencies (for compact designs) due to its lower  Qgand Co(er)•GaNcuts device loss by 70% (total loss 55%) at 1.3kW•Si converter cannot operate beyond1.3 kW safely•GaN98% efficiency at 500kHzLoss breakdownBoost电路500KCool-Mos方案上的损耗图Boost电路500K氮化镓方案上的损耗图在500K时省出3/5的损耗（紫）+VOUTDSGL1C1D1+VINL1Q11stGen 600V GaN‐on‐Si HEMT Compared toSi Super Junction MOSFET•1stgeneration GaNis already superior to Si•GaNstill has ample potential to improvedDevicesParametersOnresistance(Ω)Gatecharge(nC)Outputcharge(nC)EnergyrelatedCoss(pF)Reverserecoverycharge(μC)FOM1AFOM1BFOM2SymbleRds,onQgQossCoerQrrRon*QgRon*QossRon*QrrGaNHEMTTPH3006GaNGen10.156.252.8560.0540.937.98SiCoolMOS60R199CPSJSiGen50.183286.4695.55.7615.6990SiCoolMOS60R190C6SJSiGen60.1763127.68566.910.7121.71173SiCoolMOS65R2250C7SJSiGen70.19920126.322963.9825.11194SiCoolMOS20N60CFDSJSiforLowQrr0.199576.883118.0514.6190LLC‐DCX , Fs=Fo‰Gain equals one‰Simple SR driving scheme‰Lowest Conduction loss氮化镓的LLC电路应用¾Input: 380~420VDC¾Output:12V/25A¾Fs: 500kHzHighstepdownLLCConverterFs=FoLLCResonantConverterGaN上下管交合的时间Low residue charge for GaNallows for a fast reset time & a much reduced recirculation energyCourtesy: Work done by Virginia Tech.15基于氮化镓的LLC电路（效率1%‐3%提高等同频率，等同Rds(on)GaNCool-Mos1.0%1.80%3.50%100%负载50%负载10%负载500KLLCGaNvsCoolMosfet效率差别4ooMmNVTIL≈IMVinCossCossIM2OSSindMCVtI≈16OdOSSmTtCL≈Larger Lm, Less circuilatingenergySmaller td, Less duty cycle loseCOSS(tr)(pF)硅MOSFET/Cool-Mosfet100CascodeGaN氮化镓FET25With much smaller Coss,GaNcan achieve both用氮化镓来优化死区时间Td和Lm从公式上看死区时间Td与Coss有关系。Coss是与器件有明显关系选择不同的器件会带来不同的损耗Experiment PlatformParametersValueParametersValueVin(V)400Vo(V)/IO(A)12/25TransformerTurnRatio16:1Fs(