功率GaN器件的特性

功率GN器件的特性与系统设计应用功率GaN器件的特性与系统设计应用丁宇万国半导体元件(深圳)有限公司上海分公司丁宇万国半导体元件(深圳)有限公司上海分公司议程宽禁带功率半导体市场宽禁带功率半导体市场GaN器件的基本结构及特性GN器件驱动回路的设计及注意事项GaN器件驱动回路的设计及注意事项GaN器件应用于硬开关拓扑GN器件应用于软开关谐振类拓扑GaN器件应用于软开关谐振类拓扑小结宽禁带功率半导体市场分析GaN基本器件结构GhdihlbiliiGaNEnhancement mode High Electron Mobility Transistor横向二维电子气结构提供很高的电荷密度和迁移率.对于增强模式GaN器件, 0V或负压Vgs阻断二维电子气使器件关断. 高于Vth的偏置电压开通二维对增模式件,或负g阻断维子气使件关断高偏开维电子气实现器件的导通.可用标准的硅衬底实现以降低成本.设计技术优化主要实现结构对比级联式耗尽型HEMT+低压FET单片增强型HEMT单片增强型HEMT主要实现结构对比耗尽型HEMT低压FET增强型HEMT增强型HEMTCascode结构P‐门极结构AOSGaNBufferSubstrateGaNAlGaNGateBufferSubstrateGaNAlGaNMISBufferSubstrateGaNAlGaNP‐GaN低Low Ron,sp栅极漏电流低‒‐18V  VTH  ‐4V非原生MIS结构常闭0.5V  VTH  2V更低Ron,sp高可靠性常闭0.5V  VTH  2V更低Ron,sp高可靠性‒非原生MIS结构‒需要串联MOS‒dI/dt可控度低‒LVMOSFET Qrr高可靠性开通di/dt可控Qrr为0栅极漏电流高‒栅极震荡有限高可靠性开启时的di/dt可控Qrr为0栅极漏电流低栅极AC性能强壮栅极震荡有限栅极性能强壮(‐10 +10)增强型反向导通增型有类似反向极管特性增强型GaN有类似反向二极管特性但是没有Qrr(少数载流子),实际上是channel的反向导通30正常模式1020A)VGS = 0VVGS = 2VVGS = 4VVGS = 6V‐100‐5‐4‐3‐2‐1012345IDS(A‐Vth‐30‐20V(V)反向VDS(V)Qrr/Qoss机理“零”反向恢复Qrr/ Qoss机理不同拓扑恢复机理不同必须从所有应用综合考虑–不能只参考数据手册SiMOSFETGaNCascodeGaNEM必须从所有应用综合考虑不能只参考数据手册•温度影响/ dI/dt 影响SiMOSFETGaN CascodeGaN EMQrrQossQrr=uCQrr=nCQrr=nCGaNSiQossQrr+QossQossQrr= uCVF= 0.7VQrr= nCVF= 0.7V+ IRonQrr= nCVF~2~3VVF(synch) =IRonGaN和SJ电容曲线对比GaN: 650V / 85mohm99mohm –SJ很明显，GaN的Coss曲线更线性化，其值也更低–零电压转换特性更好减少损耗GaN和SJQoss曲线对比GaN: 650V / 85mohm99mohm –SJGN的Q约为SJ的1/5~1/10GaN的Qoss约为SJ的1/5~1/10‐谐振电路应用中减少死区时间增强模式GaN驱动问题避免illiddhhh避免Miller‐induced shoot‐throughHigh dv/dtand di/dtcombined with low Cissand Vg(th) need to protect gate spikes from going        above threshold or maximum rating under miller effect for safe operation.Gate ringing or sustained oscillation may occur if the design is not done properly and may lead to device failure.驱动回路的寄生电感增强模式GaN驱动问题驱动回路的寄生电感For a given gate loop inductance there will be a minimum source resistance value needed to keep    Vgsfrom exceeding its maximum limit. So the pull‐up resistance of the gate drive path should be adjusted for a given gate loop layout to ensure at least near critical damping to limit overshoot/ringing.Thus the inductance of the gate loop will directly limit the switching speed of the device so take       care to minimize it to get maximum efficiency.增强模式GaN驱动问题低侧d问题低侧GaNCommon Source Inductance问题Negative spike on the gate‐source terminals during turn‐on may damage GaNdevice.Positive spike on the gate‐source terminals during turn‐off can active GaNdevices and cause shootpgg‐through .硬开关应用:无桥同步无桥PFC / 同步Buck(i为什么GN适合硬开关?)(i.e. 为什么GaN 适合硬开关?)各种拓扑应用统计AC/DC电源各种拓扑应用统计优点和缺点标准AC/DC PFC Boost变换器优点和缺点..标准变换器: 输入整流桥损耗…•SiCSBD反向恢复问题最小化•SiC SBD 反向恢复问题最小化BoostDiode输入整流桥= 固定损耗‐30‐50% 的损耗单开关+ SiCSBD  (低反向恢复)D1D1BoostDiodeACS1LoadSi diodesD4D3Target Application: Bridgeless PFCGaN SMPS for servers / telecomTrends to higher power density.Hhi152Xi?How to achieve 1.5‐2X power in same space? Double power per rack from ~30‐40W/in380W/in31.6kW semi‐BL PFC•SJ + SiC SBD•fsw~ 65kHzN96%•N = 96%2‐3kW InterleavedBridgeless PFC•70‐85mW GaNf100kHInterleavedGaN85mHF LLCGaN85m•fsw~ 100kHz•N = 97‐98%无桥PFC拓扑无桥PFC Boost无桥PFC w/2 DC boosts (每半个周期)低共模噪声‐减小整流桥二极管压降‐负半周输出地有共模噪声‐S1,S2 体二极管HF–无CCM‐低共模噪声‐4个二极管, 2 个开关管, D3,D4 为低速二极管, D1,D2 为快恢复二极管‐需要2个电感GaNACQ1Q2S1+-GaNGaNSiSi无桥PFC Boost w/ 双向器件:‐二极管与输入输出相连= 低共模噪声体极管无图腾柱无桥PFC Boost‐Q1,Q2 high speed GaN‐低共模噪声Q2S2‐S1,S2 体二极管HF–无CCM‐栅极驱动复杂‐D1,D3 为快恢复二极管; D2,D4 为低速二极管‐S1/S1 相同PWM‐但是–体二极管反向恢复–无CCM模式1kW 图腾柱PFC 效率99%+99.4Using Standard Si Gate Driver!98.298.498.698.89999.2ciency (%)97.497.697.89898.2020040060080010001200EfficVin=230Vac, Vout=385VPin (W)50607080re (oC)1020304050TemperaturSurface Temperature•全数字控制•f=100kHz0020040060080010001200Pin (W)f100kHz标准Sync Buck 拓扑输入k拓扑48V 输入Sync Buck 拓扑应用GaN减小开关损耗，消除反向恢复问题相对于传统SiMOS需要注意减小死区时间.GaN DC/DC 48V:12V Sync Buck100V GaN: AOCA007G10 x 2 Sync Buck EvalBoard48:12V97%98%94%95%96%iency(%)GaN92%93%94%EfficFs=300kHzFs=500kHzFs=1MHz91%123456789101112131415Load Current(A)GaN DC/DC 48V:12V Sync BuckGaNvs. Si 波形对比48V‐12V/10A, 下管关断100V GaN: AOCA007G10=96.8%@ 500kHz Si 100V OptiMOS=92.8% @ 500kHzkPeak VDS= 50VPeak VDS= 68V300KHz300KHz5ns15ns5ns/div5ns/divCould easily use 80V GaN due to low inductance/overshootGaN DC/DC 48V Sync Buck高频(MHz+)  超小占空比提供卓越的效率48V:1VGaN Sync Buck@1MHz@ 1 MHz80%85%90%70%75%80%cy(%)55%60%65%EfficiencFs=300kHzFs=500kHz40%45%50%Fs‐500kHz Asymmetric123456789101112131415Load Current(A)软开管/谐振类应用:ACF/LLC(i为什么GN适合软开关?)(i.e. 为什么GaN适合软开关?)传统反激变换器的限制因素diillbkCSiClTraditional FlybackConverter SW + Passive Clamp Power LossSWmKOUTCLAMPCLAMPCLAMPfILNVVVP2)(21SWBULKSWSWITCHINGfVCP221Both PCLAMP& PSWproportionally increases with fSW,it’s the key limitation of traditional   flybackconverter run in high switching frequency!ACF反激变换器是大势所趋No RCD clamp losses, all leakage      Key advantage of ACFp,genergy is recovered. (transformer design flexibility)ZVS soft switching over entire       goperation range.ZCS soft turn‐off for output            rectifier, no r