Одной из наиболее важных рыночных тенденций в современной электронике является миниатюризация. Все ищут компактные решения зарядных устройств и мощных источников питания, что выражается в спросе на современные конструкции с высокой удельной мощностью, что требует использования более эффективных топологий преобразователя, лучших полупроводниковых переключателей и магнитных материалов. Появление на рынке силовых транзисторов GaN, обеспечивающих отличные параметры коммутации, значительно облегчает эту задачу.
Представляем семейство новейших продуктов Infineon с нитрид-галлиевыми HEMT (транзисторами с высокой подвижностью электронов), таких как интегрированный IPS CoolGaN-переключатель и его использование в высокоэффективных преобразователях, выполненных в следующих топологиях: обратноходовой с активным зажимом (ACF), гибридный обратноходовой (HFB) и полумостовой преобразователь LLC.
В случае зарядных устройств и источников питания для достижения высокой удельной мощности важно увеличить частоту коммутации в силовом каскаде, чтобы уменьшить размер магнитных компонентов, таких как импульсный трансформатор и фильтр электромагнитных помех, при сохранении высокого КПД преобразования энергии. Здесь хорошо работают выбранные новые топологии полумоста (HB), такие как обратноходовые преобразователи с активным зажимом (ACF), гибридные обратноходовые преобразователи (HFB) и LLC. В этих топологиях можно добиться высокого КПД при высокой частоте коммутации благодаря использованию механизма переключения при нулевом напряжении (ZVS) и без необходимости использования демпфера.
CoolGaN IPS — это простой в применении интегрированный переключатель питания и логика управления на GaN-транзисторах для современных зарядных устройств и БП.
GaN-транзисторы HEMT с гетеропереходом имеют лучшее значение параметра FOM (показатель качества) по сравнению с самыми современными кремниевыми полевыми МОП-транзисторами. Они имеют значительно меньшие потери при переключении, требуют меньшего времени простоя и меньшей мощности управления. Эти преимущества позволяют им работать на высоких частотах переключения, что позволяет миниатюризировать блоки питания.
Чтобы еще больше уменьшить размер схемы питания, Infineon представила CoolGaN IPS — компонент, который включает в себя один мощный транзистор QFN 600V CoolGaN вместе с изолированным драйвером затвора. Такой драйвер упрощает конструкцию зарядных устройств переменного/постоянного тока и источников питания, основанных на топологиях полумостового преобразования. Упрощенная блок-схема обратноходового преобразователя с активным ограничением на CoolGaN IPS в двухканальном варианте показана на рисунке далее.
Эта версия CoolGaN IPS имеет два канала, то есть силовые транзисторы и драйверы затворов, включенные по полумостовой схеме и соединенные с драйвером посредством магнитной изоляции. Встроенный трансформатор без сердечника (ТТ) позволяет легко управлять верхним переключающим транзистором (верхняя сторона). Идентичный трансформатор также установлен в нижней дорожке, на этот раз из-за симметрии времен распространения, что приводит к гальванической развязке входа/выхода и верхней и нижней половины моста. Гальваническая развязка драйвера затвора также разделяет массы силовых и управляющих цепей, что повышает помехозащищенность и надежность переключения силовых транзисторов на высоких частотах. Магнитная связь цепей гарантирует надежное управление даже в случае очень быстрой коммутации при крутизне ската более 300 В/нс.
Транзистор CoolGaN представляет собой управляемый током элемент, функционально более близкий к обычным полевым транзисторам, чем к полевому МОП-транзистору. Его затворная цепь не изолирована от канала и с электрической стороны ведет себя как диод с прямым напряжением VF от 3 до 4 В. Эквивалентная схема и типовые характеристики затворной цепи показаны на рисунке. Этот элемент «нормально выключен», но пороговое напряжение VTH довольно мало (+1 В), что требует отрицательного напряжения затвора -VN, обычно в диапазоне нескольких вольт, для обеспечения некоторой блокировки в положении «выключено».
Отрицательное напряжение управления затвором может быть обеспечено благодаря известному решению двухполюсника RC, расположенному в цепи управления между затвором и выходом контроллера.
В решении, представленном на рисунке ниже, резистор R tr задает максимальное значение тока зарядки и разрядки входной емкости транзистора. Когда для включения и выключения требуются различные импедансы цепи затвора, можно использовать дополнительный резистор R off параллельно резистору R tr.
Использование CoolGaN IPS в зарядках и блоках питания
В конструкции маломощных зарядных устройств и адаптеров преобладала топология обратного хода из-за ее простой компоновки и низкой стоимости. Но поскольку потери энергии при переключении транзисторов и трансформатора зависят от частоты переключения, на практике максимальная частота переключения согласующего преобразователя ограничивается требуемым КПД, что ограничивает удельную мощность. Использование HEMT-транзисторов в таком преобразователе способствует увеличению частоты переключения, так как этот транзистор имеет гораздо лучшие параметры чем эквивалентный по току кремниевый вариант. Но для достижения еще большей миниатюризации возникает необходимость использования других способов преобразования энергии – с мягким переключением транзисторов и с рекуперацией от паразитных реактивных сопротивлений.
Мягкое переключение означает коммутацию при нулевом напряжении, преобладающем на электродах силового транзистора, а запасенная в трансформаторе паразитная энергия (связанная с намагничиванием сердечника) используется для получения заряда от силовых ключей.
Ток намагничивания вызывает в трансформаторе дополнительные потери энергии (как в сердечнике, так и в первичной обмотке), а необходимость получения связанной с ним энергии, накопленной в магнитном поле при коммутации, существенно влияет на возможное мертвое время. Между тем большое мертвое время снижает эффективный рабочий цикл и увеличивает величину тока, протекающего в силовой цепи, что увеличивает потери проводимости. Поэтому при работе на очень высокой частоте коммутации крайне важно свести к минимуму мертвое время.
Благодаря отличному значению параметра FOM R ds (on), силовые транзисторы GaN HEMT позволяют уменьшить мертвое время, а также величину тока намагничивания, благодаря чему эти элементы особенно рекомендуются для данных топологий преобразования.
Активный обратный ход ACF
На рисунке показан пример использования CoolGaN IPS в преобразователе ACF. В этом решении верхний транзистор восстанавливает энергию запасенную в индуктивности рассеяния трансформатора (Llk), поэтому он включается при выключении основного переключающего (нижнего) транзистора. Энергия, запасенная в индуктивности Llk емкостью CCLMP на проводящем транзисторе, образующем с ним резонансный контур, вызывает передачу энергии в нагрузку. Напряжение колебаний в резонансном контуре Llk и CLMP трансформируется во вторичную сторону, поэтому энергия поступает на выход. Этот процесс рекуперации повышает эффективность по сравнению с пассивным решением, когда он гасился (преобразовывался в тепло).
Хорошо спроектированная топология ACF работает в условиях ZVS, поэтому источник питания может работать на гораздо более высокой частоте переключения, чем квазирезонансный (QR) блочный преобразователь, который работает в более жестких условиях переключения силового транзистора. Переключение при нулевом напряжении помогает уменьшить размер магнитных компонентов, включая трансформатор и фильтры электромагнитных помех.
Преобразователь ACF содержит два транзистора, трансформатор, резонансный конденсатор Cclamp, выпрямитель и выходные конденсаторы. Далее показаны типичные рабочие процессы, поясняющие принцип работы.
Преобразователь работает в два цикла. В первом он запасает энергию в магнитном поле первичной обмотки и индуктивности рассеяния трансформатора (Llk). В это время включается нижний переключатель. Затем транзистор отключается, и энергия, запасенная в магнитном поле, передается на выход через проводящий диод, подключенный к вторичной обмотке. В это время включается верхний транзистор, в результате чего энергия, запасенная в поле рассеяния и возникающая в результате тока намагничивания сердечника, передается на выход. Переключатели коммутируются по ZVS, что дополнительно повышает эффективность.
Характеристики коммутаторов CoolGaN IPS
- Интегрированная конструкция содержит силовые транзисторы с изолированным драйвером затвора
- Допустимый ток источника/приемника 1/2 А
- Настраиваемая скорость включения и выключения
- Короткое время распространения сигнала (47 нс), очень небольшое рассогласование между каналами
- Вход ШИМ с частотой коммутации до 3 МГц
- Стандартные уровни логических входов совместимые с процессорами
- Широкий диапазон напряжения питания
- Возможно питание контроллера от одного напряжения с быстродействующим замком
- Конструкция нижнего переключателя с открытым исходным кодом для измерения тока с помощью внешнего шунтирующего резистора
- Гальваническая развязка цепей ввода-вывода на базе трансформаторов без сердечника
- Очень высокое переходное сопротивление синфазного режима (CMTI) > 300 В/нс
- Соответствует стандарту JEDEC
- Гибридный обратный ход (HFB)
На рисунке ниже показано применение в топологии гибридного обратноходового преобразователя (HFB) с CoolGaN IPS. Эта схема состоит из переключателей верхнего и нижнего плеча, трансформатора, резонансного контура (Llk и Cr), выхода выпрямителя и конденсаторов. Это еще одна топология использующая мягкую коммутацию силовых транзисторов и обеспечивающая высокую удельную мощность и КПД. Индуктивность рассеяния трансформатора и индуктивность намагничивания резонируют с конденсатором в соответствии с концепцией преобразователя LLC. Драйвер с некомплементарной схемой коммутации обеспечивает решение, которое работает в широком диапазоне входных напряжений переменного и постоянного тока, что полезно для источника питания USB-C PD.
Гибридный обратный ход может коммутироваться с ZVS на первичной стороне и с ZCS на вторичной, при этом энергия поля рассеяния ядра восстанавливается. В отличие от обычных LLC-резонансных источников питания топология HFB может работать в широком диапазоне выходных мощностей, чего трудно достичь с LLC-источниками питания.
На рисунке ниже показаны формы сигналов напряжения во время работы. Когда верхний переключатель включен, преобразователь накапливает энергию в первичной катушке. Когда он выключен, накопленная энергия передается на выход при включении нижнего транзистора. Благодаря контролю моментов включения и выключения обоих транзисторов, работой ZVS обоих ключей обеспечивается высокий КПД. Дальнейшее повышение эффективности преобразования возможно на вторичной стороне за счет применения выпрямителя на коммутирующих транзисторах с нулевым током (ZCS), заменяющего обычный диод. Это делает обратноходовой гибрид конкурентоспособным по цене решением в источниках питания со сверхвысокой удельной мощностью, таких как быстрые зарядные устройства USB-PD для телефонов.
Дальше показан пример преобразователя в полумостовой топологии LLC. Это резонансная схема, что означает, что регулировка напряжения работает иначе, чем в обычных системах ШИМ. Топология используемого последовательного резонансного контура из 3-х частей: катушка-катушка-конденсатор – как на рисунке ниже. Инвертор LLC изменяет выходное напряжение посредством частотной модуляции, работая с коэффициентом заполнения 50% и постоянным фазовым сдвигом 180°. Он состоит из двух полумостовых ключей, трансформатора, резонансного контура (Lr и Cr), выходного выпрямителя и конденсаторов.
На следующем рисунке показаны типичные рабочие процессы полумоста LLC. При включении верхнего переключателя преобразователь работает в режиме передачи мощности на выход. Резонансный контур находится под напряжением положительного напряжения, поэтому ток также течет в этом направлении. Когда нижний переключатель включен, в резонансный контур подается отрицательное напряжение. Разница между током протекающим в резонансном контуре и током намагничивания сердечника трансформируется во вторичную сторону и подается на нагрузку.
Оба транзистора моста включаются при нулевом напряжении благодаря работе в резонансе, что приводит к полной рекуперации энергии, запасенной в паразитной выходной емкости МОП-транзисторов. Использование синхронного выпрямителя на бестоковом коммутационном выходе вместо диодов позволяет минимизировать динамические потери и тем самым повысить общий КПД, особенно на более высоких рабочих частотах в диапазоне от сотен кГц до МГц.
В общем благодаря высокой эффективности и встроенному драйверу затвора в небольшом корпусе решения CoolGaN IPS позволяют создавать зарядные устройства и адаптеры питания с высокой удельной мощностью. Использование топологий GaN и обратноходовых преобразователей с активным зажимом, гибридных обратноходовых преобразователей и топологий LLC является естественным шагом в развитии на пути к высоким частотам и лучшей удельной мощности.