2019 (gan)功率ic应用设计大赛 培训专场 一 郭春明(cmg), 技术总监
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2019 纳微半导体氮化镓(GaN)功率IC应用设计大赛培训专场 (一)
郭春明(CMG), 技术总监
File r4-21-19
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2019 纳微半导体氮化镓(GaN)功率IC应用设计大赛
大赛时间:2019年5月6日——10月31日 ;样片申请截止日期:7月31日2
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大赛介绍
参赛方案设为:65W PD(type C) 和 100W C+C+A 两种电源方案,任选其一;
活动总奖金超320,000元,最高单项奖 60,000元,史无前例哦!
期待您的挑战!
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2019 纳微半导体氮化镓(GaN)功率IC应用设计大赛
大赛时间:2019年5月6日——10月31日 ;样片申请截止日期:7月31日
目录
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•氮化镓(GaN)材料简介
• Navitas氮化镓集成IC详解
• Navitas GaN IC 在PD里面的应用
• Navitas GaN IC 在高频PFC/LLC里面的应用
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大赛时间:2019年5月6日——10月31日 ;样片申请截止日期:7月31日
氮化镓
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•什么是氮化镓?• 氮化镓(GaN,Gallium nitride)是氮和镓组成的化合物半导体
•氮化镓是第三代半导体材料的一种• 第一代 硅和锗
• 第二代 砷化镓为代表
• 第三代 氮化镓和碳化硅(宽禁带半导体)
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Performance of WBG materials
物理特性 4H-SiC Si GaN
禁带宽度[eV] 3.23 1.1 3.4
临界电场强度[MV/cm] 2.9 0.3 3.3
饱和电子迁移率[107cm/s] 2.5 1 2.5
电子迁移率[cm²/V/s] 900/115 1400/450 1800/2DEG
与传统硅材料相比,氮化镓(GaN)材料具有以下特性:1. x3 禁带宽度2. x10 临界电场强度3. x2.5饱和电子迁移率
1. 高耐压2. 高频率3. 高效率4. 高抗辐射能力
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Lateral GaN Advantage
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• WBG GaN material allows high electric fields so high carrier density can be achieved
• Two-dimensional electron gas with AlGaN/GaN heteroepitaxy structure gives very high mobility in the channel and drain drift region
• Lateral device structure achieves extremely low Qg and QOSS and allows integration
• Integration on silicon substrates means mature low cost wafer fabrication is available
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Si Landscape
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GaN / SiC Landscape
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GaN器件的常见结构
增强型常闭结构 E-Mode
1. 简化了驱动2. 增强了可靠性3. 减小电路空间4. 速度更快
驱动集成型常闭结构
级联型常通结构 D-Mode
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Benefits of e-Mode GaN
• Lower Rdson
• No reverse recovery loss
• Negligible gate driver loss
• Small output capacitance
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NV6115
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E-Mode GaN Reverse Conduction
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NV6115• GaN FETs support reverse conduction
in off mode
• For 650V Navitas GaN, VSD is typically 3.5V
• Reverse conduction without Qrrloss
• It supports full rated current
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What is the desired Gate voltage range
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Discrete Approach Requires Rdamp
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Rdamp ….does?
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World’s First GaNFast™ Power ICs
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Navitas
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Benefit of GaNFast™ Power ICs
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Clean, Controlled FET Gate
• Discrete driver• Gate loop
inductance creates overshoot(even with good layout)
• Reliability concern
• GaNFast Power IC• No gate loop
parasitic
• Clean and fast gate signal
• No CdV/dt turn-on
• No IV crossover turn-off switching losses
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Discrete Driver & Discrete FET
VGS
2 V Overshoot
4V Undershoot
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Integrated Drive→ Simple & Robust
Wide Range VCC
(10-30V)
Regulator ensures VGS within SOA
No inductance or ringing in gate loop
Total layout flexibility & simplicity
PWM Hysteresis for noise immunity
Gate protected from external noise
(Not pinned out of package)
Under voltage lockout protects the driver & FET when full
power supply is not available
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Internal Circuit
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Recommendation Parameter Value
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650V GaN Power IC
iDrive Family Part number Package (mm) RDS(ON) (typ, mΩ) FSW (max)
SingleNV6115 5x6
QFN
1602 MHz
NV6117 120
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Application Circuit
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NV6115/7 Startup Process
Turn On 条件:- Vcc > 10V(批量),- PWM 有信号- VDD 在5.5~7V的工作范围
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Voltage Slew Rate Control
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RDD
• dV/dt controllable from 180 V/ns to 10 V/ns for EMI suppression
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Reduce Bias Power
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• Quiescent current is high, and may require a cutoff switch during standby
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Zener Diode: Use Stable Zener
• To reduce quiescent current, Zener bias current is very low (10-100uA)
• Use recommended diodes, or select Zener with sharp knee at 10uA
• Add a resistor to increase bias to stabilize Zener voltage
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External Zener sets reference voltage for internal circuit. Large deviation from 6.2V affects circuit operation
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Layout
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• Use 4-layer PCB to spread heat. Be careful when current sense resistor is used
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NV6115/7 (Parallel Configuration)
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Maximum 2x Parallel !Boost Circuit, BCM/DCM Modes only !
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Reduce Input Power Loop
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• Minimize power loop• Reduce inductance to minimize ringing
• Important for EMI
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Maximize GaN Thermal Coppers
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High Side Vsw Copper
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• High side copper can cover high side components and traces
• Including bias caps and high side Zener
• Cathode of the bootstrap diode and output of isolator
• Don’t extend ground or Vbus+ copper beneath high side components
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No High Side and Low Side Overlap
• Low side and high side copper and components shouldn’t overlap
• Vbus+ copper shouldn’t overlap high side components
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GaNFast USB-C Chargers Have Arrived
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Challenge: “Mu One”
• 14 mm profile
• CE, UL, etc.
Mu One 45W Apple 27W
Images courtesy Made-in-Mind
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45 W in 11 mm = HF Planar ACF
• Size : 29 cc (41 cc with case)
• Density : 1.7 W/cc (27 W/in3), 1.1 W/cc (18 W/in3) cased
Proprietary; Authorized Use with Navitas License
• Planar Magnetics:
• Low profile
• Automated assembly
• Predictable performance
• High yield
Type-CReceptacle
Planar Transformer
Bulk Caps
AC Bridge
NV611x Power ICs ACF IC UCC28780
SR FET
PD IC
EMIFilter
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45 W Mu One: Cool, Quiet
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大赛时间:2019年5月6日——10月31日 ;样片申请截止日期:7月31日37
World’s Thinnest 65W USB-PD
0.86
0.88
0.9
0.92
0.94
0.96
0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5
Eff
icie
ncy
Vo=5V
115Vac
Vo=9V Vo=15V
230Vac
90Vac
Vo=20V
115 VAC, 20 V / 3.25 A, 25°C ambient, no case, no airflow, no heatsink20mins steady state operation. Maximum case <70°C
Power, Output
65 W USB-PD
TopologyACF with NV6115, NV6117 GaNFast Power ICs
Frequency 600 kHzSize 27 cc (45 cc with case)
Density2.4 W/cc (39 W/in3) uncased1.5 W/cc (24 W/in3) cased
Efficiency93.3% peak (115 VAC)93.2% at 90 VAC, full loadDoE Level VI, Euro CoC (EuP) Tier 2
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150 W, 19 V: 200kHz/500 kHz
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Power, Output 150 W, 19 V
Topology CrCM PFC NCP1615 & LLC NCP13992AB, NV6115 GaNFastFrequency PFC min. 200 kHz, LLC typ. 500 kHzSize 63 cc (101 cc with case)
Density2.4 W/cc (39 W/in3)1.5 W/cc (24 W/in3) cased
Efficiency95% peak, 93% at 90 VAC, full loadDoE Level VI, Euro CoC (EuP) Tier 2
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大赛时间:2019年5月6日——10月31日 ;样片申请截止日期:7月31日39
Highest Density 300 W, 19 V
TopologyInterleaved CrCM Boost PFC(NCP1632 + NV6117)ZVS LLC (NCP13992 + NV6117)
Frequency PFC = 200 kHz min., LLC = 500 kHz
Size, Density
75 x 150 x 15 mm = 168 cc = 1.8 W/cc (30 W/in3) PCBA80 x 155 x 20 mm = 248 cc = 1.2W/cc (20 W/in3) cased
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Enabling High-Density Adapters
Ultra-thin LED TV
All-in-One PCs
Next-Gen Gaming
Consoles
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Magnetics Frequencies – 10x Every Decade
A. J. Hanson, J. A. Belk, S. Lim, C. R. Sullivan and D. J. Perreault, "Measurements and Performance Factor Comparisons of Magnetic Materials at High Frequency,"
in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 31, no. 11, pp. 7909-7925, Nov. 2016.
Y. Han, G. Cheung, A. Li, C. R. Sullivan and D. J. Perreault, "Evaluation of Magnetic Materials for Very High Frequency Power Applications," in IEEE
Transactions on Power Electronics, vol. 27, no. 1, pp. 425-435, Jan. 2012.
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Boost PFC Circuit Modes
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Boost PFC Circuit Analysis
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150W Boost PFC Calculations
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0
50
100
150
200
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Ind
uct
ance
[u
H]
Frequency [kHz]
150W Boost Inductance vs. Frequency
Pout 150 W output power
EFF 93 % total system efficiency @ AC low line
Pin 161 W input power
VACmin 90 VAC AC low line voltage
Vout 400 V DC bus voltage
IACrms 1.78 Arms AC RMS input current
Ipeak 4.99 Apk PFC inductor peak current
fsw 200 kHz switching frequency @ low line and peak of line
Lpfc 80 uH PFC inductor value
Rcs 0.100 Ohm current sensing resistor value
𝐿 =𝐸𝐹𝐹 ∙ ( 2 ∙ 𝑉𝑖𝑛)2
4 ∙ 𝐹𝑠𝑤 ∙ 𝑃𝑜𝑢𝑡 ∙ (1 +2 ∙ 𝑉𝑖𝑛
𝑉𝑜𝑢𝑡 − 2 ∙ 𝑉𝑖𝑛)
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150W Boost PFC Inductor Size
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PFC Controllers Comparison
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Company Part # PFCFSW max
HV Startup X2-cap Discharge
DCM Mode StandbyMode
Package
ON Semi NCP1615CDR2G 200kHz Y Y Y Y SOIC-16
TI UCC28056 100kHz N N Y Y SOT-26
ST STCMB1(combo)
100kHz Y Y N Y SOIC-20W
MPS HR1200(combo)
100kHz Y Y Y Y SOIC-28
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LLC Circuit Operating Points
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150W LLC Circuit Design
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Fsw 500 kHz switching frequency
Coss_GaNFET 50 pF NV6115 = 50pF
Coss_BD 10 pF bootstrap diode capacitance
C_parasitics 10 pF pcb, x'fmr windings
Coss_SRFET 12 pF div by N^2, NVFMSC670CNL = 690pF x 2 = 1380pF/11^2 = 12pF
Coss_Total 82 pF
Ts 2 usec switching period (1/Fsw)
td 0.18 usec controller dead-time
To 1.64 usec resonant period (Ts - 2*td)
Tolerance 10 % ZVS margin
Lm 203 uH x'fmr magnetizing inductance value = To*Td/(16*Coss)-ZVS margin tolerance
Lm:Lr 10 Lm to Lr ratio
Lr 20 uH resonant inductor value
Ls 6 uH x'fmr leakage inductance
Tolerance 10 % below resonance margin
Cr 3.5 nF resonant capacitor value
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150W LLC Transformer Size
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LLC Controllers Comparison
50
Company Part # LLCFSW max
HV Startup X2-cap Discharge
Burst Mode
HBADTmin
Package
ON Semi NCP13992 500kHz Y Y Y 160nsec SOIC-16
TI UCC25630 300kHz Y Y Y 500nsec SOIC-16
NXP TEA19161 200kHz Y Y Y 350nsec SOIC-16
ST STCMB1(combo)
100kHz Y Y Y NotVerified
SOIC-20W
MPS HR1200(combo)
100kHz Y Y Y NotVerified
SOIC-28
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150W Demoboard (Specifications)
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Ref. Parameter Value Units
VIN Input Voltage 90-265 VAC
47-63 Hz
VOUT Output Voltage 19 V
IOUT Output Current (100% load) 8 A
IOUT_LIM Output Current Limitation (short-circuit or over-load) 9.5 A
POUT Output Power (max) 150 W
FSW Switching Frequency PFC (120V, 100% load) 200 kHz
PFC (220V, 100% load) 100 kHz
LLC 500 kHz
ɳ Efficiency 230 VAC, 150 W 94.9 %
115 VAC, 150 W 93.8 %
PSTBY Standby Power Consumption 115 VAC < in progress mW
230 VAC < in progress mW
PF Power Factor 0.95
Board Dimensions 110 x 50 x 12.5 mm
Board Volume (uncased) 68.75 cc
Power Density (uncased) 35.75 W/in3
2.18 W/cc
Customer LxWxH (uncased) Size (uncased)
Size Increase vs. Navitas (uncased)
Navitas 110 x 50 x 12.5 mm 68.75 cc N/A
Customer #1 129 x 55 x 16.3 mm 115.65 cc + 40.6 %
Customer #2 5.575 x 1.975 x 0.675 in. 121.8 cc + 43.6 %
Customer #3 115 x 55 x 16.2 mm 103.1 cc + 33.3 %
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150W Demoboard (Power Board PCB Bot Layer)
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Bot Silk Layer
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150W Demoboard (Power Board Mid1/Mid2 Layers)
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Mid1 Layer Mid2 Layer
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150W Demoboard (90V, 130W, peak of line)
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Size Reduction
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150W 100K(PFC)/250K(LLC) Vs 200K/500K
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150W 200K(PFC)/500K(LLC) Vs 100K/250K
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2019 纳微半导体氮化镓(GaN)功率IC应用设计大赛
大赛时间:2019年5月6日——10月31日 ;样片申请截止日期:7月31日
150W PFC Demo: Schematic
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2019 纳微半导体氮化镓(GaN)功率IC应用设计大赛
大赛时间:2019年5月6日——10月31日 ;样片申请截止日期:7月31日
150W PFC Demo Board 100 x 50 x 20mm
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• Low profile
• ‘No-heatsink’ design
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2019 纳微半导体氮化镓(GaN)功率IC应用设计大赛
大赛时间:2019年5月6日——10月31日 ;样片申请截止日期:7月31日59
• 150W, DCM (boundary) mode
• Run at PFC IC limit (L6562A)• 120V = 167-230kHz
• 220V = 230-500kHz(265V peaks at 1MHz)
• Simple “No heatsink” design• 100x50x20mm
• Si vs. GaN• Efficiency, temperature,
PF, etc.
PackRDS(ON
)mΩ
QGnC
COSS(er)
pF
COSS(tr)
pF
R*QGmΩ.nC
R*COSS(tr)
mΩ.pF
R*COSS(er)
mΩ.pF
NV6115 5x6 170 2.5 30 50 400 8,000 4,800
IPL65R199CP
8x8 180 32 69 180 5,760 32,400 12,400
IPL60R130C7
8x8 115 35 53 579 4,025 66,600 6,100
GaN Benefits
>50% n/a >10x >2x >10x >10x >7x >2.5x
150W PFC: SuperJunction Si vs. GaN Power IC
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大赛时间:2019年5月6日——10月31日 ;样片申请截止日期:7月31日
Si Hits the Frequency Roadblock
60
92
93
94
95
96
97
98
99
0 30 60 90 120 150
Navitas 120V
Navitas 220V
Si CP 120V
Effi
cien
cy (
%)
OutputPower (W)
• GaN running cool (61°C) at full load• Efficiency up 1% vs. Si CP
• Loss 20-35% lower
• Power Factor >99.5%
• CP Si running >90°C
• C7 Si too hot to run at 220VAC
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大赛时间:2019年5月6日——10月31日 ;样片申请截止日期:7月31日
• Si COSS is 50x-100x worse than GaN at VDS < 30V
• High loss due to large stored charge while hard-switching
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Silicon’s High COSS Creates Partial ZVS
• Turn-off losses low due to integrated drive
• Near loss-less ZVS turn-on transition
• Minimize deadtime for low reverse conduction loss
• No voltage spikes / overshoot
Si GaN
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大赛时间:2019年5月6日——10月31日 ;样片申请截止日期:7月31日
Vendors Hitachi TDK/EPCOS Ferroxcube DMR NCD TP
Core Material ML95S ML91S N49 3F36 DMR50 LP5W TP5
Fsw 300k~600k 500k~1M 200k~500k 200k~400k 200k~300k 300k~500k 200k~400k
High Frequency Core
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大赛时间:2019年5月6日——10月31日 ;样片申请截止日期:7月31日64
Backup Slides
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Vendors suggested
Primary Litz wire: 规格 联系人
1st,MWS 0.05mm*25 Eric YELICH <[email protected]>
2nd,JWS 0.05mm*25 尹肖華' <[email protected]>
Triple insulated wire: 规格 联系人
1st:Totoku 0.1mm*[email protected]
2nd:锐磁 0.1mm*40 刘小刚 <[email protected]>
Core 规格 联系人
TDG TP5,TP5E 张林权<13916932111>
NCD LP5
HITACHI ML95S,ML91S
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