氮化镓功率器件基础培训(2015.1.15)
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Tc=100℃ PD=(Tj max –Tc) / RthJC PD=(150-100) / 0.55 = 91 W ID= 91/0.109 = 28.9A
Infineon IPW65R045C7
MOSFET的工作电流 35
RDS(ON) @150℃ = 0.109Ω
MOSFET的安全工作区域 36
一些常见MOSFET的价格 38
型号
IPP048N04NG BSC093N04LSG IPP052N06L3G BSF450NE7NH3 IPP070N08N3G IPD78CN10NG IPD33CN10NG IPD122N10N3G IPD530N15N3G IPD320N20N3G IPD600N25N3G
Efficient Power Conversion
EPC主要产品选型表 56
额定电压
额定电流
门极电压 工作温度 储存温度
GaN FET的主要参数 57
EPC2015
击穿电压 DS漏电流 门极漏电流 门极阈值电压 导通电阻
SD正向电压
J-C热阻 J-B热阻 J-A热阻
GaN FET的主要参数 58
单位
V A mΩ V nC ns μC W
MOSFET的额定电压 23
MOSFET的额定电流 24
MOSFET的门极阈值电压 25
Infineon IPW65R045C7
提高门极电压可以降低RDS(ON)
MOSFET的耗散功率 26
MOSFET的导通电阻 27
D
G
ID
S
MOSFET的分布电容 28
IGBT的主要制造厂商 12
赛米控 • 拥有金属压接等先进封装工艺
三菱电机 IPM以及高压、大功率IGBT是优势
富士电机 • IGBT兼容英飞凌，IPM兼容三菱，性价比高
ABB,东芝,LS, IXYS,日立… • 销量较小，或是针对特殊领域
2013年全球IGBT厂家市场份额 13
• 2012年全球IGBT总销售额41亿 美元
AlN GaN Silicon
增强型氮化镓功率管的结构 52
S
G
D
GaN
Silicon
增强型氮化镓功率管的续流 53
S
G
D
I
GaN
Silicon
EPC简介 54
• 宜普电源转换公司（EPC）是由三位工程师在2007年11月创建。他们在先进功 率管理器件方面一起共集结了60年相关的丰富经验。
• EPC是基于增强型氮化镓功率管理器件的领先供应商，为首家公司推出可替代 功率MOSFET器件的硅基增强型氮化镓(eGaN®)场效应晶体管。
SO-8
LFPAK
Device Loss Breakdown
2.5
Package
Die
2
1.5
82%
VIN =12V VOUT =1.2V IOUT =20A FS =1MHz
1
73%
0.5
47%
18%
18% 27% 53% 82%
0 SO-8
LFPAK DirectFET LGA
DirectFET
氮化镓功率器件基础培训
工业电子事业部 邱勉为 2014.11.27
常见的功率器件 MOSFET简介 GaN FET简介 GaN FET的应用
目录 2
3
常见的功率器件
功率器件的作用 4
I U
电力电子开关系统的基本形式 5
常见的功率电路拓扑结构 6
BUCK电路（降压电路） BOOST电路（升压电路）
3.2
EBR(MV/cm)
3.3
0.3
3.5
VS(X 10⁷ cm/s)
2.5
1.0
2.0
μ(cm²/Vs)
990-2000
1500
650
导通阻抗和击穿电压的极限 42
导通阻抗和击穿电压理论框图
氮化镓和碳化硅功率管比较 43
使用新型器件带来的变化 44
SiC器件市场预测 45
GaN器件市场预测 46
门极电压 耗散功率 存储温度 工作温度 反向恢复电流
反向恢复脉冲电流
MOSFET的主要参数 19
Infineon IPW65R045C7
Infineon IPW65R045C7
DS击穿电压 门极阈值电压
导通电阻
MOSFET的主要参数 20
开通延时 上升时间 关断延时 下降时间
门极电荷
续流二极管压降
目前主要的SiC功率器件制造厂家 47
目前主要的氮化镓功率器件制造厂家 48
S
二维电子云
氮化镓器件工作原理 49
I
AlGaN D
GaN
氮化镓器件工作原理 50
I
AlGaN
S
D
GaN
耗尽型氮化镓功率管的结构 51
Gate Source
AlGaN
Protection Dielectric Drain
• 宜普公司的首席执行官Alex Lidow是 HEXFET® 功率MOSFET的共同发明者之 一。除了曾负责研发及制造等职务，Alex Lidow曾任职国际整流器公司首席执 行官12年。35年多以来，Alex的使命是致力开发全新半导体，以提高我们高效 转换和使用能源的能力。
EPC简介 55
eGaN FETs for
常见的功率电路拓扑结构 7
半桥电路
全桥电路（H桥、单相桥）
三相桥电路（全桥）
三电平三相桥电路
• MOSFET • IGBT • SCR
常见的功率器件 8
功率器件的功率范围 9
功率器件的开关频率 10
全球功率器件的市场规模 11
• 2012年全球功率器件总销售额150亿 美元
英飞凌 • IGBT种类齐全，市场占有率高
88
Vertical
87
Design 1
86
Lateral
Design 1
85
40V MOSFET
84
Design 1
83 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 Output Current (IOUT)
感性负载下功率管工作过程
MOSFET的功率损耗 33
di ������������ = ������������ ⋅ d������������
MOSFET的功率损耗 34
感性负载下MOSFET工作波形
关断损耗
开通损耗
反向恢复损耗
导通损耗
不同温度下的工作电流
Tc=25℃ PD=(Tj max –Tc) / RthJC PD=(150-25) / 0.55 = 227 W ID= 227/0.109 = 45.6A
额定电压(V) 40 40 60 75 80 100 100 100 150 200 250
额定电流（A） 60 30 60 3 60 10 25 60 10 10 4
封装 TO-220
SO-8 TO-220 CANPAK TO-220 TO-252 TO-252 TO-252 TO-252 TO-252 TO-252
2.2
2.1
2
1.9
1.8
1.7
1.6
1.5
1.4
1.3
1.2
1.1
1
0.9
GaN
0.8
MOSFET B
0.7
0.6
-50
-25
0
25
50
75
100
125
150
Junction Temperature (°C)
门极阈值电压和温度的关系 64
1.2
1.1
Normalized Thershold Voltage
EPC2015
输入电容 输出电容 反向传输电容 门极电荷
反向恢复电荷
GaN FET的主要参数 59
EPC2015
EPC2015 Substrate Gate
1.6mm
Source Drain
GaN FET外形 60
D G
S
4.1mm
GaN FET的封装 61
Power Loss (W)
Efficiency (%)
安全工作区域（SOA, Safe Operating Area）
Infineon IPW65R045C7
如何选择MOSFET 37
一般性经验
100%
30%
50%
工作电压
工作电流
实际工作值 器件额定值
耗散功率
对于最高结温150℃的器件，一般实际结温不能高于125℃
实际设计时应考虑最坏的条件。 如结温Tj从50 ℃ 提高到100 ℃ 时， 推算 故障率降提高20倍。
16
MOSFET简介
门极 Gate
MOSFET结构 17
漏极 Drain
ID
源极 Source
MOSFET常见的封装 18
TO-220
TO-220F
TO-247
TO-253(D-PAK)
SOT-23
SOT-363
SOP-8
TO-253(D2PAK)
LFPAK
CANPAK
额定电流 最大脉冲电流
1
0.9
0.8
GaN
0.7
MOSFET A
0.6
-50
-25
0
25
50
75
100
125
150
Junction Temperature (°C)
门极电荷 65
MOSFET + QRR
反向恢复特性 66
eGaN FET + Zero QRR
品质因数对比 67
100V: GaN FET VS MOSFET
门极驱动功率计算： Pg = △Vgs×Qg×fsw
=Ciss×(△Vgs)²×fsw
Qg:见规格书 fsw:开关频率
Qgs Qgd Qg
MOSFET的品质因数 30
品质因数 FOM(Figure of Merit)
FOM=Qg x RDS(ON)
RDS(ON)
B
RDS(ON) RDS(ON)
QQgg
温度对比 69
无风扇散热，VIN=12 V, VOUT=1.2 V, IOUT=20 A, fsw=1 MHz, L=300 nH
GaN FET的驱动 70
RSource
CGD
RSeries
RG
CVGGSS
RSink LS
尽量减小源极到地的电感量
Top View
优化PCB Layout 71
Side View
MOSFET的主要制造厂商 14
英飞凌 • MOSFET技术领先，高端路线 东芝 • 家电等领域占有率高 AOS 低压小电流产品性价比高 ST • 产品线齐全，公司规模大 仙童 • 老牌厂家，性价比高 IR • 低压MOS做得比较出名，被英飞凌收购
2013年全球MOSFET厂家市场份额 15
• 2012年通用MOSFET总销售额58亿 美元
RDS(ON)
Qg
C
RDS(ON)
Qg
A
Qg
MOSFET的功率损耗 31
阻性负载下MOSFET工作波形
D G
ID
S
开通损耗
导通损耗
关断损耗
MOSFET的反向恢复特性 32
体二极管的反向恢复特性
二极管可视为一种电容。 积累 的电荷Qrr完全放掉需要时间为trr。
另外， 由 于反向恢复时， 处于 短路状态， 损耗很大。 因此内部寄 生二极管的电容特性使MOSFET开关 频率受到限制。
Top View
优化PCB Layout 72
Side View
Bottom View
Top View
优化PCB Layout 73
Side View
Top View Inner Layer 1
优化PCB Layout对效率的影响 74
Efficiency (%)
91
90
89
Optimal
Design 1
Infineon IPW65R045C7
• 容量值越小， Qg越小， 开关速度 越快， 开关损耗就越小。
• 开关电源、 DC/DC变换器等应用 ， 要求较小的Qg值。
MOSFET的门极电荷 29
Infineon IPW65R045C7
Qg：门极总电荷量 Qgs：门极-源极电荷量 Qgd：门极-漏极电荷量
参考价格（美元） 0.6 0.4 0.5 0.35 0.65 0.3 0.35 0.45 0.75 0.9 1.3
39
GaN FET简介
• 低导通阻抗 • 更快速 • 低分布电容 • 小体积 • 低成本
为什么需要寻找新材料 40
几种常见的半导体材料 41
性能
GaN
Si
SiC
EG(eV)
3.4
1.12
90 85 80
LGA
SO-8 LFPAK DirectFET LGA
Байду номын сангаас
75
70
65 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 Switching Frequency (MHz)
EPC2100
上升和下降时间 62
GaN FET的上升时间和下降时间一般都小于5ns
导通阻抗和温度的关系 63
Normalized On Resistance
反向恢复时间 反向恢复电荷
MOSFET的主要参数 21
Infineon IPW65R045C7
MOSFET的关键参数 22
以Infineon IPW65R045C7举例
参数
VDSS ID RDS(ON),Max Vth Qg，Typ Trr，Typ Qrr，Typ PD
数值
650 46 45 3.5 93 725 13 227
200V: GaN FET VS MOSFET
GaN FET和MOSFET损耗对比 68
与MOSFET的相似点
• 导通损耗 • 分布电容损耗 • 门极驱动损耗 • 开关损耗V×I
与MOSFET的不同点 高反向导通损耗
没有体二极管的反向恢复损耗
一般情况下损耗比MOSFET可降低30-60%
GaN FET 体积小38% 温度低13%
Infineon IPW65R045C7
MOSFET的工作电流 35
RDS(ON) @150℃ = 0.109Ω
MOSFET的安全工作区域 36
一些常见MOSFET的价格 38
型号
IPP048N04NG BSC093N04LSG IPP052N06L3G BSF450NE7NH3 IPP070N08N3G IPD78CN10NG IPD33CN10NG IPD122N10N3G IPD530N15N3G IPD320N20N3G IPD600N25N3G
Efficient Power Conversion
EPC主要产品选型表 56
额定电压
额定电流
门极电压 工作温度 储存温度
GaN FET的主要参数 57
EPC2015
击穿电压 DS漏电流 门极漏电流 门极阈值电压 导通电阻
SD正向电压
J-C热阻 J-B热阻 J-A热阻
GaN FET的主要参数 58
单位
V A mΩ V nC ns μC W
MOSFET的额定电压 23
MOSFET的额定电流 24
MOSFET的门极阈值电压 25
Infineon IPW65R045C7
提高门极电压可以降低RDS(ON)
MOSFET的耗散功率 26
MOSFET的导通电阻 27
D
G
ID
S
MOSFET的分布电容 28
IGBT的主要制造厂商 12
赛米控 • 拥有金属压接等先进封装工艺
三菱电机 IPM以及高压、大功率IGBT是优势
富士电机 • IGBT兼容英飞凌，IPM兼容三菱，性价比高
ABB,东芝,LS, IXYS,日立… • 销量较小，或是针对特殊领域
2013年全球IGBT厂家市场份额 13
• 2012年全球IGBT总销售额41亿 美元
AlN GaN Silicon
增强型氮化镓功率管的结构 52
S
G
D
GaN
Silicon
增强型氮化镓功率管的续流 53
S
G
D
I
GaN
Silicon
EPC简介 54
• 宜普电源转换公司（EPC）是由三位工程师在2007年11月创建。他们在先进功 率管理器件方面一起共集结了60年相关的丰富经验。
• EPC是基于增强型氮化镓功率管理器件的领先供应商，为首家公司推出可替代 功率MOSFET器件的硅基增强型氮化镓(eGaN®)场效应晶体管。
SO-8
LFPAK
Device Loss Breakdown
2.5
Package
Die
2
1.5
82%
VIN =12V VOUT =1.2V IOUT =20A FS =1MHz
1
73%
0.5
47%
18%
18% 27% 53% 82%
0 SO-8
LFPAK DirectFET LGA
DirectFET
氮化镓功率器件基础培训
工业电子事业部 邱勉为 2014.11.27
常见的功率器件 MOSFET简介 GaN FET简介 GaN FET的应用
目录 2
3
常见的功率器件
功率器件的作用 4
I U
电力电子开关系统的基本形式 5
常见的功率电路拓扑结构 6
BUCK电路（降压电路） BOOST电路（升压电路）
3.2
EBR(MV/cm)
3.3
0.3
3.5
VS(X 10⁷ cm/s)
2.5
1.0
2.0
μ(cm²/Vs)
990-2000
1500
650
导通阻抗和击穿电压的极限 42
导通阻抗和击穿电压理论框图
氮化镓和碳化硅功率管比较 43
使用新型器件带来的变化 44
SiC器件市场预测 45
GaN器件市场预测 46
门极电压 耗散功率 存储温度 工作温度 反向恢复电流
反向恢复脉冲电流
MOSFET的主要参数 19
Infineon IPW65R045C7
Infineon IPW65R045C7
DS击穿电压 门极阈值电压
导通电阻
MOSFET的主要参数 20
开通延时 上升时间 关断延时 下降时间
门极电荷
续流二极管压降
目前主要的SiC功率器件制造厂家 47
目前主要的氮化镓功率器件制造厂家 48
S
二维电子云
氮化镓器件工作原理 49
I
AlGaN D
GaN
氮化镓器件工作原理 50
I
AlGaN
S
D
GaN
耗尽型氮化镓功率管的结构 51
Gate Source
AlGaN
Protection Dielectric Drain
• 宜普公司的首席执行官Alex Lidow是 HEXFET® 功率MOSFET的共同发明者之 一。除了曾负责研发及制造等职务，Alex Lidow曾任职国际整流器公司首席执 行官12年。35年多以来，Alex的使命是致力开发全新半导体，以提高我们高效 转换和使用能源的能力。
EPC简介 55
eGaN FETs for
常见的功率电路拓扑结构 7
半桥电路
全桥电路（H桥、单相桥）
三相桥电路（全桥）
三电平三相桥电路
• MOSFET • IGBT • SCR
常见的功率器件 8
功率器件的功率范围 9
功率器件的开关频率 10
全球功率器件的市场规模 11
• 2012年全球功率器件总销售额150亿 美元
英飞凌 • IGBT种类齐全，市场占有率高
88
Vertical
87
Design 1
86
Lateral
Design 1
85
40V MOSFET
84
Design 1
83 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 Output Current (IOUT)
感性负载下功率管工作过程
MOSFET的功率损耗 33
di ������������ = ������������ ⋅ d������������
MOSFET的功率损耗 34
感性负载下MOSFET工作波形
关断损耗
开通损耗
反向恢复损耗
导通损耗
不同温度下的工作电流
Tc=25℃ PD=(Tj max –Tc) / RthJC PD=(150-25) / 0.55 = 227 W ID= 227/0.109 = 45.6A
额定电压(V) 40 40 60 75 80 100 100 100 150 200 250
额定电流（A） 60 30 60 3 60 10 25 60 10 10 4
封装 TO-220
SO-8 TO-220 CANPAK TO-220 TO-252 TO-252 TO-252 TO-252 TO-252 TO-252
2.2
2.1
2
1.9
1.8
1.7
1.6
1.5
1.4
1.3
1.2
1.1
1
0.9
GaN
0.8
MOSFET B
0.7
0.6
-50
-25
0
25
50
75
100
125
150
Junction Temperature (°C)
门极阈值电压和温度的关系 64
1.2
1.1
Normalized Thershold Voltage
EPC2015
输入电容 输出电容 反向传输电容 门极电荷
反向恢复电荷
GaN FET的主要参数 59
EPC2015
EPC2015 Substrate Gate
1.6mm
Source Drain
GaN FET外形 60
D G
S
4.1mm
GaN FET的封装 61
Power Loss (W)
Efficiency (%)
安全工作区域（SOA, Safe Operating Area）
Infineon IPW65R045C7
如何选择MOSFET 37
一般性经验
100%
30%
50%
工作电压
工作电流
实际工作值 器件额定值
耗散功率
对于最高结温150℃的器件，一般实际结温不能高于125℃
实际设计时应考虑最坏的条件。 如结温Tj从50 ℃ 提高到100 ℃ 时， 推算 故障率降提高20倍。
16
MOSFET简介
门极 Gate
MOSFET结构 17
漏极 Drain
ID
源极 Source
MOSFET常见的封装 18
TO-220
TO-220F
TO-247
TO-253(D-PAK)
SOT-23
SOT-363
SOP-8
TO-253(D2PAK)
LFPAK
CANPAK
额定电流 最大脉冲电流
1
0.9
0.8
GaN
0.7
MOSFET A
0.6
-50
-25
0
25
50
75
100
125
150
Junction Temperature (°C)
门极电荷 65
MOSFET + QRR
反向恢复特性 66
eGaN FET + Zero QRR
品质因数对比 67
100V: GaN FET VS MOSFET
门极驱动功率计算： Pg = △Vgs×Qg×fsw
=Ciss×(△Vgs)²×fsw
Qg:见规格书 fsw:开关频率
Qgs Qgd Qg
MOSFET的品质因数 30
品质因数 FOM(Figure of Merit)
FOM=Qg x RDS(ON)
RDS(ON)
B
RDS(ON) RDS(ON)
QQgg
温度对比 69
无风扇散热，VIN=12 V, VOUT=1.2 V, IOUT=20 A, fsw=1 MHz, L=300 nH
GaN FET的驱动 70
RSource
CGD
RSeries
RG
CVGGSS
RSink LS
尽量减小源极到地的电感量
Top View
优化PCB Layout 71
Side View
MOSFET的主要制造厂商 14
英飞凌 • MOSFET技术领先，高端路线 东芝 • 家电等领域占有率高 AOS 低压小电流产品性价比高 ST • 产品线齐全，公司规模大 仙童 • 老牌厂家，性价比高 IR • 低压MOS做得比较出名，被英飞凌收购
2013年全球MOSFET厂家市场份额 15
• 2012年通用MOSFET总销售额58亿 美元
RDS(ON)
Qg
C
RDS(ON)
Qg
A
Qg
MOSFET的功率损耗 31
阻性负载下MOSFET工作波形
D G
ID
S
开通损耗
导通损耗
关断损耗
MOSFET的反向恢复特性 32
体二极管的反向恢复特性
二极管可视为一种电容。 积累 的电荷Qrr完全放掉需要时间为trr。
另外， 由 于反向恢复时， 处于 短路状态， 损耗很大。 因此内部寄 生二极管的电容特性使MOSFET开关 频率受到限制。
Top View
优化PCB Layout 72
Side View
Bottom View
Top View
优化PCB Layout 73
Side View
Top View Inner Layer 1
优化PCB Layout对效率的影响 74
Efficiency (%)
91
90
89
Optimal
Design 1
Infineon IPW65R045C7
• 容量值越小， Qg越小， 开关速度 越快， 开关损耗就越小。
• 开关电源、 DC/DC变换器等应用 ， 要求较小的Qg值。
MOSFET的门极电荷 29
Infineon IPW65R045C7
Qg：门极总电荷量 Qgs：门极-源极电荷量 Qgd：门极-漏极电荷量
参考价格（美元） 0.6 0.4 0.5 0.35 0.65 0.3 0.35 0.45 0.75 0.9 1.3
39
GaN FET简介
• 低导通阻抗 • 更快速 • 低分布电容 • 小体积 • 低成本
为什么需要寻找新材料 40
几种常见的半导体材料 41
性能
GaN
Si
SiC
EG(eV)
3.4
1.12
90 85 80
LGA
SO-8 LFPAK DirectFET LGA
Байду номын сангаас
75
70
65 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 Switching Frequency (MHz)
EPC2100
上升和下降时间 62
GaN FET的上升时间和下降时间一般都小于5ns
导通阻抗和温度的关系 63
Normalized On Resistance
反向恢复时间 反向恢复电荷
MOSFET的主要参数 21
Infineon IPW65R045C7
MOSFET的关键参数 22
以Infineon IPW65R045C7举例
参数
VDSS ID RDS(ON),Max Vth Qg，Typ Trr，Typ Qrr，Typ PD
数值
650 46 45 3.5 93 725 13 227
200V: GaN FET VS MOSFET
GaN FET和MOSFET损耗对比 68
与MOSFET的相似点
• 导通损耗 • 分布电容损耗 • 门极驱动损耗 • 开关损耗V×I
与MOSFET的不同点 高反向导通损耗
没有体二极管的反向恢复损耗
一般情况下损耗比MOSFET可降低30-60%
GaN FET 体积小38% 温度低13%