GaN-ключи Renesas добрались до 48-вольтовой шины
48 В в сервере или роботе приходится быстро превратить в 12 В рядом с нагрузкой. В этой точке силовой ключ одновременно проводит десятки ампер, переживает жёсткие фронты и должен отвести тепло через очень короткий путь в плату. Renesas представила для этой задачи своё первое семейство 100-вольтовых enhancement-mode GaN FET: четыре позиции RTP100 с типовым сопротивлением канала от 5 до 1.2 мОм.
100 В запаса для 48-вольтовой ступени
Слово «100-вольтовые» здесь существенно: речь идёт о запасе для ступени, работающей от 48-вольтовой шины, а не о транзисторе с номиналом 48 В. На демонстрационной плате с RTP100E005G1FL два 5-мОм ключа собраны в синхронный buck 48 В → 12 В мощностью до 240 Вт. Частоту можно поднять от 250 кГц до 1 МГц. При 18 А нагрузки и 250 кГц измеренный пик VDS на переключающемся узле составил 67.9 В: запас до 100 В остаётся после выбросов реальной печатной петли, а не только на идеальной схеме.
Куда исчезает обратное восстановление
Для такого каскада интересен набор паразитных зарядов. В руководстве EVB для 5-мОм RTP100E005G1FL приведены Qg 5.2 нКл, Qoss 24.2 нКл и Qrr 0 нКл. У e-mode GaN нет обычного p-n-перехода body diode, который в кремниевом MOSFET приходится очищать от обратновосстановительного заряда. Поэтому при коммутации обратный ключ не добавляет характерный для кремния импульс Qrr. Энергия всё равно уходит в заряд и разряд выходной ёмкости, перекрытие тока с напряжением, сопротивление затвора и индуктивности силового контура.
Renesas вынесла эту физику на плату, а не ограничилась пресс-релизом. Для 5-мОм EVB опубликованы схема, разводка и BOM: плата 45 × 45 мм выполнена на четырёх слоях FR-4 с медью 2 oz, выходная индуктивность равна 4.7 мкГн. Производитель измерял КПД и потери на 250, 500, 750 кГц и 1 МГц. Тепловые данные получены с вентилятором 63.5 CFM, расположенным в 13 см от платы; переносить эти температуры в закрытый серверный модуль нельзя.
Корпус становится частью силовой петли
Младшие по сопротивлению варианты RTP100E1P8G1FL-DSC и RTP100E1P2G1FL-DSC рассчитаны на двухсторонний отвод тепла. Для 1.2-мОм версии Renesas показывает корпус FCLGA DSC 5 × 6 мм и half-bridge с драйвером RRP68150. Такой корпус превращает охлаждение в часть электрической конструкции: короткий путь тепла снизу и сверху помогает удержать температуру, а компактная петля снижает индуктивность, которая на быстрых фронтах превращается в выброс VDS.
Заявления Renesas о снижении switching FOM до 35% при hard switching и до 63% при soft switching относятся к сравнению с неназванными сопоставимыми GaN-ключами. Цифры 40–70% по потерям, 1–3% по КПД и двукратная плотность мощности также зависят от драйвера, частоты, магнитных компонентов, компоновки и обдува. Зато опубликованная EVB даёт материал для проверки на столе. Производитель рекомендует dead time 5–15 нс и прямо показывает компромисс между скоростью фронта, КПД и EMI. Именно здесь 48-вольтовый GaN-бак перестаёт быть простой заменой MOSFET: его результат решают миллиметры петли, несколько наносекунд задержки и путь тепла из корпуса.