Application of GaN transistors to increase efficiency of switched-mode power supplies

• Autorzy: Aksamit W. , Rzeszutko J.

Warianty tytułu

PL

Zastosowanie tranzystorów GaN do zwiększenia sprawności przetwornic impulsowych

• Konferencja: XLVIII Międzyuczelniana Konferencja Metrologów MKM 2016 (XLVIII; 05.09-07.09.2016; Kraków, Polska)
• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

During the last few years Gallium Nitride became a rapidly growing technology in the power conversion market. GaN HEMT transistors are now offered by several manufacturers and it is expected that in the nearest future they will replace conventional Si transistors in many applications. The aim of this article is to present the actual benefits of GaN transistors over Si by comparing both technologies from the point of view of power losses. It is shown that thanks to lower internal capacitances and lower reverse recovery charge GaN transistors offer significant improvements in power conversion efficiency, especially at higher frequencies. Calculations of power losses are performed on the example of a buck converter. Different types of GaN transistors with different voltage ratings are analyzed.

PL

W ciągu ostatnich lat na rynku elektroniki mocy nastąpił dynamiczny rozwój technologii GaN. Tranzystory GaN HEMT są obecnie oferowane przez kilku producentów i przewiduje się że w najbliższym czasie w wielu zastosowaniach zastąpią one tradycyjne tranzystory Si. Celem tej publikacji jest przestawienie rzeczywistych zalet tranzystorów GaN w odniesieniu do Si poprzez porównanie obu technologii pod kątem strat mocy. W artykule pokazano że dzięki niższym pojemnościom wewnętrznym i niższemu ładunkowi QRR tranzystory GaN pozwalają na znaczącą poprawę sprawności, szczególnie przy wyższych częstotliwościach przełączania. Obliczenia strat mocy zostały przeprowadzone na przykładzie przetwornicy typu buck. Przeanalizowane zostały różne typy tranzystorów GaN o różnych napięciach znamionowych.

Słowa kluczowe

EN

gallium nitride; GaN transistors; power conversion; efficiency

PL

azotek galu; tranzystory GaN; straty mocy w tranzystorach GaN

• Wydawca: Wydział Elektrotechniki i Automatyki Politechniki Gdańskiej
• Czasopismo: Zeszyty Naukowe Wydziału Elektrotechniki i Automatyki Politechniki Gdańskiej
• Rocznik: 2016
• Tom: Nr 49
• Strony: 11--16
• Opis fizyczny: Bibliogr. 24 poz., rys., wykr., tab.

Twórcy

autor

Aksamit W.

• Delphi Poland S.A. tel.: [phone]

autor

Rzeszutko J.

• Delphi Poland S.A. tel.: [phone]

Bibliografia

• 1. H. Jain, S. Rajawat, P. Agrawal: Comparison of Wide Band Gap Semiconductors for Power Electronics Applications; Recent Advances in Microwave Theory and Applications, 2008. MICROWAVE 2008.
• 2. J. Millán: A review of WBG power semiconductor devices; CAS 2012 (International Semiconductor Conference) (Volume:1)
• 3. A. Chub, J. Rabkowski, A. Blinov, D. Vinnikov: Study on Power Losses of the Full Soft-Switching Current-Fed DC/DC Converter with Si and GaN Devices; Industrial Electronics Society, IECON 2015 - 41st Annual Conference of the IEEE
• 4. Y. Zhang, M. Rodríguez, D. Maksimović: High frequency synchronous Buck converter using GaN-on-SiC HEMTs; 2013 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition
• 5. W. Wang, F. Pansier, J. Popovic, J. A. Ferreira: Optimal utilization of low voltage GaN HEMT in high frequency boost converter; 2015 9th International Conference on Power Electronics and ECCE Asia (ICPE-ECCE Asia)
• 6. H-P. Park, J-H Jung: Design considerations of 1 MHz LLC resonant converter with GaN E-HEMT; Power Electronics and Applications (EPE'15 ECCE-Europe), 2015 17th European Conference on
• 7. T. Sun, X. Ren, Q. Chen, Z. Zhang, X. Ruan: Reliability and efficiency improvement in LLC resonant converter by adopting GaN transistor; 2015 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC)
• 8. Y. Zhang, M. Rodriguez, D. Maksimovic: Very High Frequency PWM Buck Converters Using Monolithic GaN Half-Bridge Power Stages with Integrated Gate Drivers; IEEE Transactions on Power Electronics (Volume:PP, Issue: 99)
• 9. D. Maksimović, Y. Zhang, M. Rodríguez: Monolithic very high frequency GaN switched-mode power converters; Custom Integrated Circuits Conference (CICC), 2015 IEEE
• 10. E. Gurpinar, A. Castellazzi: Single-Phase T-Type Inverter Performance Benchmark Using Si IGBTs, SiC MOSFETs and GaN HEMTs; IEEE Transactions on Power Electronics (Volume:PP, Issue: 99)
• 11. D. Han, Y. Li: Efficiency characterization and thermal study of GaN based 1 kW inverter; 2014 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition - APEC 2014
• 12. W. Lee, D. Han, B. Sarlioglu: GaN-based single phase brushless DC motor drive for high-speed applications; IECON 2014 - 40th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society
• 13. J. Wang, Y. Li, Y. Han: Integrated Modular Motor Drive Design With GaN Power FETs; IEEE Transactions on Industry Applications (Volume: 51, Issue: 4)
• 14. X. Huang, Z. Liu, Q. Li, F. Lee: Evaluation and Application of 600 V GaN HEMT in Cascode Structure; Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), 2013 Twenty-Eighth Annual IEEE
• 15. W. Zhang, F. Wang, L. Tolbert, B. Blalock, D. Costinett: Investigation of soft-switching behavior of 600 V cascode GaN HEMT; 2014 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE)
• 16. Y. Sano, T. Yamada, J. Mita, K. Kaifu, H. Ishikawa, T. Egawa, M. Umeno: High performance AlGaN/GaN HEMTs with recessed gate on sapphire substrate; Device Research Conference, 2001
• 17. H. Li, C. Yao, C. Han, J. Brothers, X. Zhang, J. Wang: Evaluation of 600 V GaN based gate injection transistors for high temperature and high efficiency applications; Wide Bandgap Power Devices and Applications (WiPDA), 2015 IEEE 3rd Workshop on
• 18. J. Rąbkowski, R. Barlik: Experimental evaluation of GaN Gate Injection Transistors; Przegląd Elektrotechniczny DOI:10.15199/48.2015.03.03
• 19. J. W. Chung, K. Ryu, B. Lu, T. Palacios: GaN-on-Si technology, a new approach for advanced devices in energy and communications; 2010 Proceedings of the European Solid State Device Research Conference
• 20. N. Talikoti, K. Uma Rao, R. Ghosh: GAN versus CoolMOS: A theoretical comparison of performances; Communication and Computing (ARTCom 2013), Fifth International Conference on Advances in Recent Technologies in 21. R. D. Middlebrook, S. Cuk: A general unified approach to modelling switching-converter power stages; Power Electronics Specialists Conference, 1976 IEEE
• 22. AN-6005 Synchronous buck mosfet loss calculations; www.fairchildsemi.com (May 2016)
• 23. T. Morita, S. Ujita, H.u Umeda, Y. Kinoshita, S. Tamura, Y. Anda, T. Ueda, T. Tanaka: GaN Gate Injection Transistor with integrated Si Schottky barrier diode for highly efficient DC-DC converters; Electron Devices Meeting (IEDM), 2012 IEEE International
• 24. X. Yuan, S. Walder, N. Oswald: EMI Generation Characteristics of SiC and Si Diodes: Influence of Reverse-Recovery Characteristics; IEEE Transactions on Power Electronics (Volume:30, Issue: 3)

Uwagi

PL

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę.