Миниатюрные импульсные источники питания с высокой удельной мощностью на единицу объема могут обеспечить более быструю зарядку аккумуляторов, уменьшить размеры солнечных инверторов и справиться с высоким пиковым потреблением мощности для серверов, не выделяя при этом чрезмерного тепла. Но при разработке инженеры борются с ограничениями производительности кремниевых транзисторов MOSFET и IGBT, которые являются основными переключающими элементами в силовых каскадах обычных устройств. Решение – использование транзисторов из нитрида галлия (GaN), которые обеспечивают высокую скорость переключения и лучший КПД по сравнению с традиционными кремниевыми вариантами.
Еще несколько лет назад высокая стоимость и низкая доступность GaN-транзисторов препятствовала их использованию в коммерческих приложениях, но сегодня эти проблемы заметно уменьшились. Давайте изучим преимущества которые можно получить от их использования, на примерах продуктов от EPC, Texas Instruments и Navitas Semiconductor.
Преимущества высокой частоты переключения
Силовые каскады обычных импульсных источников питания работают с ШИМ-модуляцией и с частотой коммутации до сотен килогерц. Чем выше частота – тем меньше дросселей, трансформаторов и конденсаторов. Это позволяет уменьшить габаритные размеры при той же выходной мощности, увеличив удельную мощность агрегатов. Кроме того, пульсации тока и напряжения на выходе источника питания меньше, что снижает уровень генерируемых электромагнитных помех и соответственно стоимость и размеры необходимых фильтров.
Но для обычных кремниевых силовых MOSFET и IGBT переключение происходит относительно медленно, поэтому коммутационные потери значительны и, что важно, они увеличиваются с увеличением частоты с последующим снижением эффективности. Возрастающие потери налагают верхний предел на частоту коммутации в источниках питания с кремниевым силовым каскадом.
Решение заключается в замене тех силовых транзисторов более новыми, из новых материалов, с широкой запрещенной зоной. Чаще всего это элементы SiC и GaN, но стоит обратить внимание и на технологию eGAN, которая является более усовершенствованной версией GaN.
Сравнение кремния с GaN
Нитрид галлия имеет много преимуществ перед кремнием, в том числе некоторые из них связаны с большей подвижностью электронов, которая придает этому полупроводнику более высокое напряжение пробоя и высокую плотность тока в структуре. Еще одним преимуществом GaN является то, что транзисторы изготовлены из материала, в котором нет проблем с накоплением заряда в затворе, что приводит к выбросам и колебаниям при переключении.
Эти особенности важны для разработчиков источников питания, но ещё более важно то, что высокая подвижность электронов позволяет GaN-транзистору переключаться примерно за четверть времени переключения кремниевого полевого МОП-транзистора, следовательно, коммутационные потери составляют от 10 до 30% уровня потерь кремниевого транзистора при той же частоте коммутации и токе. В результате транзисторы GaN с высокой подвижностью электронов (HEMT) могут работать на гораздо более высоких частотах, чем кремниевые MOSFET, IGBT или даже карбид кремния (SiC).
GaN HEMT, по сути, представляет собой полевой транзистор (FET), работающий с обеднением канала, поэтому его режим работы по умолчанию без управляющего напряжения включен. Это полная противоположность кремниевых МОП-транзисторов, которые отключаются без управляющего напряжения. Следовательно, GaN HEMT требуют соответствующего смещения. Во-вторых, эти транзисторы производятся с использованием другого процесса, отличного от зрелой кремниевой технологии больших объемов, что делает их более дорогими. Эта сложность конструкции и более высокая стоимость ограничили применение GaN HEMT только импульсными источниками питания высокого класса.
Правда недавно на рынке появились HEMT eGaN с обогащенным каналом и, следовательно, с состоянием по умолчанию «выключено», – они не требуют смещения. Кроме того, производители чипов представили интегрированные драйверы питания на основе HEMT eGaN для упрощения конструкции. Увеличение масштабов производства также привело к снижению цен.
Интегрированные решения GaN
В высокопроизводительных импульсных источниках питания, в которых ранее использовался HEMT eGaN, высокие цены на компоненты вынуждали разработчиков экономить деньги, в том числе возвращаться к кремнию или, по крайней мере, использовать его для управления более старыми версиями драйверов затворов.
Таким образом был достигнут некоторый выигрыш в эффективности по сравнению с «полностью кремниевой» конструкцией, но он не был оптимальным, поскольку в GaN и кремнии используются разные технологические процессы, поэтому драйвер затвора и силовые транзисторы должны быть отдельными компонентами, что увеличивает стоимость и пространство печатной платы.
Снижение цен на eGaN решило эти проблемы и позволило интегрировать силовые транзисторы вместе с драйвером. Например, Texas Instruments предлагает LMG3411R070 eGaN 600V с сопротивлением 70 мОм и встроенным драйвером затвора. Он может коммутировать силовые цепи со скоростью 100 В/нс при практически нулевых колебаниях на скатах. Для сравнения, кремниевые МОП-транзисторы коммутируются со скоростью от 3 до 10 В/нс.
Navitas Semiconductor выпускает компонент аналогичного класса — NV6113. Он состоит из eGaN HEMT на 300 мОм, 650 В, драйвера затвора и соответствующей логики в корпусе QFN размером 5 х 6 мм. NV6113 коммутирует с максимальной скоростью фронта 200 В/нс и работает на частоте до 2 МГц. Помимо одинарных элементов, на рынке представлены двойные версии полумостовых каскадов.
EPC недавно выпустила EPC2115 — интегральную микросхему драйвера, состоящую из двух монолитных мощных eGaN-транзисторов 88 мОм, 150 В, каждый из которых имеет оптимизированный драйвер затвора. EPC2115 поставляется в корпусе BGA с малой индуктивностью выводов и размерами 3 х 1 мм и может работать на частотах до 7 МГц.
Разработка блока питания с HEMT eGaN в основном следует тем же принципам, что и для кремниевых деталей, но более высокая рабочая частота влияет на выбор периферийных компонентов.
Выбор периферийных компонентов
Чтобы проиллюстрировать влияние частоты, будут рассмотрены свойства входного конденсатора для «понижающей» топологии.
Входные конденсаторы уменьшают амплитуду пульсаций входного напряжения и подавляют пульсации входного тока. Входной конденсатор в преобразователе постоянного тока обычно представляет собой керамический элемент, поскольку он имеет чрезвычайно низкое эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), необходимое для эффективного снижения пульсаций. Для преобразователя eGAN, работающего на частоте 2 МГц и КПД 95%, C MIN = 13 мкФ, что намного ниже.
Хотя быстрый процесс переключения в HEMT eGaN, как правило, полезен, он также создает некоторые проблемы проектирования, связанные с очень крутыми наклонами.
Контроль скорости роста напряженности
Быстрые скачки напряжения (большие dV / dt) могут вызвать такие проблемы, как электромагнитное излучение, большие потери, колебания паразитных реактивных сопротивлений и так далее). Этот резистор (Rdd) устанавливает ток включения встроенного драйвера затвора и определяет скорость падения напряжения на полевом транзисторе.
LMG3411 также позволяет регулировать скорость нарастания наклона в диапазоне 25–100 В/нс путем подключения резистора (Rdrv) к истоку транзистора. Конкретное значение в конечном счете является компромиссом. Более высокий наклон снижает потери мощности, поскольку время, необходимое переключателю для одновременного (и неэффективного) проведения большого тока, уменьшается, но другие рабочие параметры снижаются. Общее правило состоит в том, чтобы стремиться к самым быстрым изменениям, которые не вызывают чрезмерных электромагнитных помех и колебаний. Второй проблемой проектирования является риск перегрузки по току, связанный с высокочастотным переключением.
Важность защиты от перегрузки по току
Ключевым преимуществом разработки источников питания с более высокими частотами переключения является уменьшение размера пассивных компонентов, что увеличивает общую удельную мощность. Одним из недостатков является то, что эта повышенная плотность мощности многократно увеличивает чувствительность к неисправностям в случае перегрузки по току. Схемы защиты блоков питания HEMT eGaN очень важны, поскольку при эквивалентных параметрах активная площадь структуры HEMT eGaN значительно меньше, что значительно затрудняет рассеивание накопленного тепла при перегрузке. Слишком большой ток должен быть обнаружен, когда транзистор работает в области линии, иначе быстро произойдет насыщение, вызывающее тепловое повреждение.
- Традиционный подход к OCP заключается в использовании трансформатора тока, шунтирующих резисторов или цепей обнаружения насыщения. К сожалению, они могут увеличить паразитные индуктивности и сопротивления в силовых цепях, что, в свою очередь, требует уменьшения нарастания фронтов. Кроме того, эти элементы удорожают и занимают место на плате.
- Альтернативный подход к OCP состоит в том, чтобы наблюдать за напряжением сток-исток (Vds) GaN FET, сдвигать уровень и подавать его на контроллер. Преимущество этого метода в том, что он не создает паразитных индуктивностей и не вводит дополнительных сопротивлений, влияющих на работу схемы, но не обеспечивает высокой точности в основном из-за высокого температурного коэффициента GaN.
- Третий вариант — выбрать интегрированный силовой каскад eGaN со встроенной функцией OCP, такой как LMG3411. Схема защиты может отключить HEMT менее чем за 100 нс и обеспечить нормальное включение в следующем цикле, сводя к минимуму помехи на выходе.
Таким образом растущий спрос на импульсные источники питания с высокой плотностью энергии сделал транзисторы eGaN HEMT очень привлекательным вариантом. А наличие встроенных драйверов затворов значительно упростило разработчикам реализацию этих компонентов.
