氮化镓MOSFET(HEMT)应用及介绍

Transphorm–氮化镓FET(HEMT)HEMT: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TPH3202LD下载QFN8*875090.29背部金属接D极TPH3202LS下载QFN8*875090.29背部金属接S极TPH3202PD下载TO-22075090.29背部金属接D极TPH3202PS下载TO-22075090.29背部金属接S极TPH3206LD下载QFN8*8750170.15背部金属接D极TPH3206LS下载QFN8*8750170.15背部金属接S极TPH3206PD下载TO-220750170.15背部金属接D极TPH3206PS下载TO-220750170.15背部金属接S极TPH3205WS下载TO-247750370.063背部金属接S极电源功率密度趋势-Transphorm氮化镓FETƒ传统硅材料在电源转换上应用发展几十年了，现已到达它的物理极限，发展空间有限。ƒ氮化镓材料昀早是从LED及RF方面进行人们的视线，现在发展进入功率器件应用领域。适合高频高压。ƒ氮化镓GaN将提供高性能，低成本的方案。因氮化镓基于硅衬底，将来8，12英寸的晶元将大大降低使用成本。电源的发展必然需要小体积高效率产品，提高工作频率是必然趋式功率密度上看GaN,SiC占优势Si,SiC,GaN三种不同材料半导体比较•GaNandSiCoffer:•适合更高的工作电压•GaNoffers:•高速电子迁移•更适合高频工作•SiCoffers:•更适合高温应用场合•2007年成立•位于美国加州Goleta•超过130百员工•超过250多专利•目前唯一过JEDEC认证GaN企业•超过1.5亿美金投资•日本，香港，上海，法国，办事处Transphorm公司介绍  [e-mail]135o1775977投资商：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，故没有反向恢复的问题。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，资料上的反向恢复时间均与此小MOSFET上的二极管有关。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ƒ无需外加驱动芯片ƒ2V门阀电压(5V 全开通,  0V 关断)ƒ+/‐18V max. GATE电压ƒ采用通用驱动即可，如ON,Silicon‐labs,Fairchild,IR…. ƒ正常开通只需要不到100mA电流。所有IC均满足此要求ƒ30V低压(LV) Si FET 速度是非常快，不会影响到氮化镓ƒLow Qg.  & Low Qrrƒ30V的Si Mosfet与氮化镓FET串接TransphormGaN驱动线路很简单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）ProductTBA (TO247)900&1200V/80mΩTPH3006LS/LD (PQFN)600V/150mΩAlpha sample:Beta sample:TPH3002PS/PD (TO220)600V/290mΩ*M: Module    **FQS: 4 quadrant (bi‐directional) switchQFN 5x6/SO8600V/500mΩProprietaryTransphormProduct RoadmapTPD2015M*(Custom module)600V/40mΩTPH3205WS (TO247)600V/63mΩTPD3215M*(Custom module)600V/30mΩTPH3206PS/PD(TO220)600V/120mΩTPH3002LS/LD (PQFN)600V/290mΩTPF4003** (SO16w) FQS 600V/150mΩTPD3248M*(Custom module)600V/23mΩYearTBA (bump die)150V/10mΩTPH3006PS/PD(TO220)600V/150mΩ2013201420152016TPH3308(TO220)600V/80mΩTPH4306(TO220)600VE‐mode Gen‐1: TPH3006, Gen‐2: TPH3206, Gen‐3: TPH3308, E‐mode: TPH4306TPH3305WS (TO247)600V/45mΩTechnologyRoadmapCascodeE‐modeLarge room for figure‐of‐merit improvement in device designs leading to reduced on‐resistance in basic package (TO220)Continuous drive for high current ratings in a discrete package from FOM improvement +lager die+TO247YearOn‐Resistance (Ω)Rate Current (A)Rate Power (kW)YearFOM(A)TO220TO247Figure of MeritDiscrete RatingsQualified GaNon Silicon products from Transphorm:TO220 & PQFN (Production), TO247 (Eng Samples)SpecificationProductionEng SamplesPart No.TPH3006PS/PDTPH3002PS/PDTPH3006LS/LDTPH3002LS/LDTPH3205WSSource Tab (PS) Drain Tab (PD) Source Dap (LS) Drain Dap (LD) Source Tab OnlyPackageTO220TO220PQFN88PQFN88TO247RDS(ON)Typ. (OHM)0.150.290.150.290.063ID25˚C (A) 17917934Co(er) (pF)56365636170Co(tr) (pF)1106311063283Og(ns)6.26.26.26.210Trr(ns)3030303030Qrr(nC)54295429138Vgs(V) (Gate Voltage) +/‐18+/‐18+/‐18+/‐18+/‐18ƒ氮化镓背部散热片可以接S，也可以接D，有两种可选ƒ下管选接S的（因S脚接地0V）(A)ƒ上管选接D的（因D脚接的直流电）(B)VCCLRLQ1VVDSGDSGDSGAC groundGDSGroundDrain connected to caseSourceconnected to case(B)(A)High side switchLow side switchQuiet Tab™package made possible by lateral GaNdevicesTPH3002PS--背部金属接S极（TO-220600V/9A)TPH3002PD–背部金属接D极TPH3002LD--背部金属接D极（QFN8x8)The Quiet‐TabTMTO‐220 Package MatchesGaN’sHigh Switching Speed VINVOUTGate DriverVINVOUTIINDGate Driver传统的TO‐220硅MOSFET背部只能接D，而氮化镓有接S和D两种Quiet‐TabTMTO220GaNHEMT有利于高频开关IGIDIGID•传统的结构，D极的瞬间电流可能给Vgs带来大的干扰•Kelvin引脚（背部接S）,分开的S极，一个作为GATE脚用，另一个作为D极大电流用，分开有助于减少Vgs振铃•硅材料的结构决定不能提供Kelvin脚.•G,S,D更有助于安规及布线。DSGDSGSDIINDDriver信号从1脚经过内部绕到第3脚，内部走线较长，会带来较大的寄生电感Driver信号从1脚进，2脚出，内部走线短。更做优化。有助于高频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+VINL1Q1Q