Упоредна анализа прекидачких губитака енергије у галијум–нитридном HEMT и силицијумском MOSFET транзистору

Јован Мрвић; Владимир Вукић

doi:10.5937/zeint30-29318

Јован Мрвић Електротехнички институт “Никола Тесла”, Универзитет у Београду, Београд, Србија
Владимир Вукић Електротехнички институт “Никола Тесла”, Универзитет у Београду, Београд, Србија https://orcid.org/0000-0002-4421-0574

DOI: https://doi.org/10.5937/zeint30-29318

Ključne reči: галијум–нитрид (GaN), силицијум (Si), каскодни транзистор, HEMT, superjunction MOSFET, SPICE симулација, губици енергије

Sažetak

Предмет овог рада је међусобно поређење прекидачких губитака енергије у каскодном галијум-нитридном HEMT и силицијумском “superjunction” MOSFET транзистору, у оба случаја пројектованих за максимални радни напон од 650 V. За анализу прекидачких карактеристика транзистора употребљен је метод испитивања двоструким импулсом, коришћењем детаљних SPICE симулационих модела. Подаци о транзијентним процесима укључења и искључења генерисани су, коришћењем симулационог пакета LTspice, у широком опсегу струја дрејна, са две различите вредности отпорности гејта испитиваних транзистора. Добијени резултати указују на супериорне прекидачке карактеристике галијум-нитридних направа у односу на силицијумске компоненте, нарочито приликом рада транзистора са великим струјама дрејна. Током једног циклуса укључивања и искључивања транзистора, симулирани су укупни губици енергије у GaN HEMT, за струју дрејна од 30 А, пет до осам пута мањи него у Si MOSFET транзистору.

Reference

B. J. Baliga, Fundamentals of power semiconductor devices, New York, USA: Springer Science + Business Media, LLC, 2008. ISBN 978-0-387-47313-0

E.A. Jones, F. Wang, and D. Costinett, “Review of commercial GaN power devices and GaN-based converter design challenges,” IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, vol. 4, pp. 707-719, 2016. https://doi.org/10.1109/JESTPE.2016.2582685

F. Lee, Q. Li, X. Huang, and Z. Liu, “Switching characteristics of gallium nitride transistors: system level issues,” monografija Power GaN devices, M. Meneghini, G. Menegheso, and E. Zanoni, Eds. Switzerland: Springer International Publishing AG, 2017, str. 345-375. https://doi.org/10.1007/978-3-319-43199-4_15

H. Kapels, M. Schmitt, U. Kirchner, G. Aloise, F. Bjoerk, “New 900 V voltage class for junction devices – A new horizon for SMPS and renewable energy applications”, na konf. PCIM Europe 2008 (Nirnberg, Nemačka, maj 2008)

A. Wintrich, U. Nicolai, W. Tursky, T. Reimann, Application manual – Power semiconductors, Ilmenau, Germany: ISLE Verlag, 2015. ISBN 978-3-938843-83-3

P. Parikh, “Cascode gallium nitride HEMT on silicon: structure, performance, manufacturing, and reliability,” monografija Power GaN devices, M. Meneghini, G. Menegheso, and E. Zanoni, Eds. Switzerland: Springer International Publishing AG, 2017, str. 237-254. https://doi.org/10.1007/978-3-319-43199-4_10

V. Dj. Vukić, J. Mrvić, V. A. Katić, “High-order harmonics of the AC/DC converter, generated during the intermittent and continuous operation of GaN-HEMT power switches”, na konf. PCIM Europe 2019 (Nirnberg, Nemačka, 7. – 9. maj 2019), str. 1945 – 1952, ISBN 978-3-8007-4938-6

“STW57N65M5”, DocID024050 Rev 2, katalog proizvođača, STMicroelectronics, dec. 2013.

“TP65H035WS – 650 V GaN FET in TO-247”, katalog proizvođača, Transphorm Inc., nov. 2017

“STW57N65M5_V2 PSpice model”, STMicroelectronics, april 2013, https://www.st.com/content/st_com/en/products/power-transistors/power-mosfets/stpower-n-channel-mosfets-gt-350-v-to-700-v/mdmesh-m5-series/stw57n65m5.html#cad-resources

Feng Qi, “TP65H035 Model rev. 0.1,” Transphorm, januar 2018, www.transphormusa.com/en/product/tp65h035ws/

V. Dj. Vukić, J. Mrvić, V. A. Katić, “Comparison of the switching energy losses in cascode and enhancement-mode GaN HEMTs”, na konf. Ee2019, 20th International Symposium on Power Electronics (Novi Sad, Srbija, 23. – 26. oktobar 2019), paper ID: P1.5-1_03626, str. 1-5, ISBN 978-86-6022-219-2, https://doi.org/10.1109/PEE.2019.8923198

J. Mrvić, “Prekidačke karakteristike savremenih galijum-nitridnih HEMT i silicijumskih MOSFET energetskih poluprovodničkih prekidača”, seminarski rad iz predmeta „Savremena rešenja energetskih poluprovodničkih prekidača”, Fakultet tehničkih nauka, Univerzitet u Novom Sadu, jun 2020.

“LTspice Version XVII(x64)”, simulacioni program, Analog Devices Corp., 18. jul 2018.

“Python” ver. 3.7.0, simulacioni program, Python Software Foundation, 27. jun 2018.

“MATLAB” ver. R2019a, simulacioni program, MathWorks Corp., 2019.