Zasilacze impulsowe z tranzystorami mocy eGaN – korzyści i wyzwania projektowe

| Technika

Miniaturowe zasilacze impulsowe o dużej gęstości mocy z jednostki objętości mogą zapewnić szybsze ładowanie akumulatorów, zmniejszyć wymiary inwerterów solarnych i obsłużyć duże zapotrzebowanie na moc szczytową dla farmy serwerów, a wszystko to bez generowania nadmiernego ciepła. Jednak inżynierowie zmagają się podczas ich projektowania z ograniczeniami wydajności krzemowych tranzystorów MOSFET i IGBT, które stanowią podstawowe elementy przełączające w stopniach mocy konwencjonalnych jednostek. Rozwiązaniem wielu problemów jest zastosowanie tranzystorów z azotku galu (GaN) zapewniających dużą szybkość przełączania i lepszą sprawność w porównaniu do wersji krzemowych.

Zasilacze impulsowe z tranzystorami mocy eGaN – korzyści i wyzwania projektowe

Jeszcze kilka lat temu wysoki koszt i niewielka dostępność tranzystorów GaN wykluczały ich zastosowanie w aplikacjach komercyjnych, ale dzisiaj te problemy nie są już takie dokuczliwe. W artykule opisano korzyści, jakie można mieć z ich użyciem, w przykładach produktów firm EPC, Texas Instruments i Navitas Semiconductor.

Zalety dużej częstotliwości kluczowania

Stopnie mocy konwencjonalnych zasilaczy impulsowych pracują z modulacją PWM i z częstotliwością przełączania od dziesiątek do setek kiloherców. Im większa częstotliwość, tym mniejsze dławiki, transformatory i kondensatory. Pozwala to zmniejszyć gabaryty projektu przy tej samej mocy wyjściowej, zwiększając gęstość mocy jednostek. Ponadto tętnienia prądu i napięcia na wyjściu zasilacza są mniejsze, co zmniejsza poziomy generowanych zaburzeń elektromagnetycznych, a zatem pośrednio także koszt i rozmiar wymaganych filtrów.

Jednak dla konwencjonalnych krzemowych tranzystorów mocy MOSFET i IGBT przełączanie jest stosunkowo wolne, stąd straty mocy podczas komutacji są znaczne i co istotne, rosną wraz ze wzrostem częstotliwości, co w konsekwencji zmniejsza sprawność. Rosnące straty nakładają górny pułap na częstotliwość komutacji w zasilaczach z krzemowym stopniem mocy.

Rozwiązaniem jest zamiana tranzystorów mocy krzemowych na nowsze typy wykonane z nowych materiałów o szerokiej przerwie zabronionej. Są to najczęściej elementy SiC i GaN, ale warto też zwrócić uwagę na technologię eGAN, będącą bardziej dopracowaną wersją GaN.

Porównanie krzemu z GaN

Azotek galu ma wiele zalet w stosunku do krzemu, w tym kilka związanych z większą mobilnością elektronów. Zwiększona ruchliwość elektronów zapewnia temu półprzewodnikowi wyższe napięcie przebicia i wysoką gęstość prądu w strukturze. Kolejną zaletą GaN jest to, że tranzystory zbudowane z materiału w którym nie ma problemu z akumulacją ładunku w bramce, co prowadzi do przerzutów i oscylacji podczas przełączania.

 
Rys. 1. Tranzystory GaN HEMT umożliwiają działanie zasilaczy impulsowych na wyższej częstotliwości niż wersje krzemowe lub SiC

Cechy te są oczywiście ważne dla projektantów zasilaczy, ale być może bardziej istotne jest to, że duża ruchliwość elektronów pozwala tranzystorowi GaN przełączyć się w około jednej czwartej czasu krzemowego MOSFET-a, stąd straty komutacyjne wynoszą od 10 do 30% poziomu strat tranzystora krzemowego dla takiej samej częstotliwości i prądu przełączania. W rezultacie tranzystory o dużej ruchliwości elektronów z GaN (HEMT) mogą pracować przy znacznie wyższych częstotliwościach niż krzemowe MOSFET-y, IGBT lub nawet z węglika krzemu (SiC) (rys. 1).

HEMT GaN to zasadniczo tranzystor polowy (FET) pracujący ze zubożaniem kanału, a więc domyślny dla niego tryb działania bez napięcia sterującego to "włączony". Jest to dokładnie odwrotnie niż dla krzemowych tranzystorów MOSFET, które bez napięcia sterującego są wyłączone. W konsekwencji, GaN HEMT wymagają odpowiedniej polaryzacji wstępnej. Po drugie, tranzystory te są wytwarzane przy użyciu innego procesu technologicznego niż dojrzałe, wysokoseryjne technologie stosowane w krzemie, co niestety czyni je droższymi. Ta złożoność projektu i wyższy koszt ograniczyły zastosowania GaN HEMT do wysokiej klasy zasilaczy impulsowych.

Jednak ostatnio pojawiły się na rynku HEMT eGaN z kanałem wzbogacanym, a więc z domyślnym stanem "wyłączone" i te nie wymagają polaryzacji wstępnej. Co więcej, producenci chipów wprowadzili na rynek zintegrowane sterowniki układów zasilania oparte na HEMT eGaN, które upraszczają projektowanie. Zwiększona skala produkcji umożliwiła także spadek cen.

Zintegrowane rozwiązania GaN

W wysokiej klasy zasilaczach impulsowych, w których wcześniej stosowano HEMT eGaN, wysokie ceny komponentów zmusiły projektantów do oszczędności, w tym do powrotu do krzemu lub przynajmniej do wykorzystania do sterowania starszych wersji driverów bramek.

 
Rys. 2. LMG3411R070 firmy Texas Instruments to zintegrowany ze sterownikiem eGaN 70-miliomowy 600-woltowy

W ten sposób osiągnięto pewien wzrost wydajności w porównaniu do konstrukcji "całkowicie krzemowej", niemniej nie było to rozwiązanie optymalne, bo GaN i krzem wykorzystują różne technologie procesowe, przez co sterownik bramki i tranzystory mocy muszą być osobnymi komponentami, co zwiększa koszty i miejsce na płytce drukowanej.

Spadek cen eGaN pozwolił rozwiązać te problemy i dał możliwość zintegrowania tranzystorów mocy ze sterownikiem bramki w całość. Na przykład Texas Instruments oferuje LMG3411R070 70-miliomowy eGaN 600 V ze zintegrowanym sterownikiem bramki (rys. 2).

 
Rys 3. Stopień mocy z eGaN TI LMG3411R070 zapewnia znacznie wyższe prędkości narastania zboczy niż dają krzemowe tranzystory MOSFET przy minimalnych oscylacjach

Może on przełączać obwody mocy z szybkością 100 V/ns przy prawie zerowych oscylacjach na zboczach (rys. 3). Dla porównania krzemowe tranzystory MOSFET komutują z szybkością od 3 do 10 V/ns.

Navitas Semiconductor produkuje element podobnej klasy – NV6113. Składa się on z 300-miliomowego, 650-woltowego eGaN HEMT, sterownika bramki i powiązanej logiki w obudowie QFN 5×6 mm. NV6113 komutuje z maksymalną szybkością narastania zboczy 200 V/ns i działa z częstotliwością do 2 MHz. Oprócz pojedynczych elementów na rynku dostępne są wersje podwójne do stopni półmostkowych (rys. 4).

 
Rys. 5. Układ scalony sterownika eGaN firmy EPC zawiera dwa tranzystory mocy, każdy z własnym zoptymalizowanym sterownikiem bramki

Firma EPC niedawno wprowadziła na rynek EPC2115 – zintegrowany układ drivera, który składa się z dwóch monolitycznych tranzystorów mocy eGaN 88 mΩ, 150 V, każdy ze zoptymalizowanym sterownikiem bramki (rys. 5). EPC2115 jest dostarczany w obudowie BGA o małej indukcyjności wyprowadzeń i wymiarach 2,9×1,1 mm i może pracować z częstotliwością do 7 MHz.

Projektowanie zasilacza z HEMT eGaN zasadniczo opiera się na tych samych zasadach, co dla elementów krzemowych, ale wyższa częstotliwość robocza wpływa na wybór komponentów peryferyjnych.

Wybór komponentów peryferyjnych

Aby zilustrować wpływ częstotliwości na wybór komponentu, rozważone zostaną właściwości kondensatora wejściowego dla topologii obniżającej napięcie ("buck").

Kondensatory wejściowe zmniejszają amplitudę tętnień napięcia wejściowego i tłumią tętnienia w prądzie wejściowym. Kondensator wejściowy w przetwornicy DC-DC jest zwykle elementem ceramicznym, ponieważ taki ma wyjątkowo niską równoważną rezystancję szeregową (ESR) potrzebną do skutecznego zmniejszenia tętnień. Wartość pojemności wylicza się z zależności:

gdzie:
– CMIN to minimalna wymagana pojemność wejściowa w μF,
– fSW to częstotliwość przełączania w kHz,
– VP(max) to maksymalne dopuszczalne napięcie tętnień,
– IOUT to prąd obciążenia wyjściowego w stanie ustalonym,
– dc to cykl pracy. Dla typowego rozwiązania na elementach krzemowych: VIN = 12 V, VOUT = 3,3 V, IOUT = 10 A, η = 93%, fSW = 300 kHz, dc = 0,296, VP(maks.) = 75 mV, obliczona Cmin = 92 μF.

Dla konwertera eGAN pracującego na 2 MHz i sprawności 95%, CMIN = 13 μF, który jest znacznie mniejszy.

Chociaż szybko następujący proces przełączania w HEMT eGaN jest generalnie korzystny, wprowadza również pewne wyzwania projektowe, związane z bardzo stromymi zboczami.

Kontrolowanie szybkości narastania napięć

 
Rys. 4. Navitas NV6113 może być wykorzystany w układach półmostkowych

Szybkie narastanie zboczy napięcia (duże dV/dt) może powodować problemy, takie jak: promieniowanie zaburzeń EMI, większe straty, oscylacje na reaktancjach pasożytniczych itp. Kontrolowanie szybkości narastania w komponentach Navitasa polega na włączaniu poprzez dodanie rezystora między kondensatorem Cvdd a stykiem Vdd (rys. 4). Ten rezystor (Rdd) ustawia prąd włączania zintegrowanego sterownika bramki i określa szybkość opadania napięcia FET-a (rys. 6).

 
Rys. 6. Rezystor Rdd ustawia maksymalny prąd załączania NV6113 i określa szybkość opadania napięcia

LMG3411 pozwala także na regulację prędkości narastania zboczy w zakresie 25–100 V/ns poprzez podłączenie rezystora (Rdrv) do źródła tranzystora (rys. 2). Konkretna wartość jest ostatecznie kompromisem. Większe nachylenie zboczy zmniejsza straty mocy, ponieważ czas, w którym przełącznik jednocześnie (i nieefektywnie) przewodzi duży prąd, jest zmniejszony, ale inne parametry wydajności spadają. Zasadą ogólną jest dążenie do najszybszych zmian, które nie wywołują nadmiernych EMI i oscylacji.

Drugim wyzwaniem projektowym jest ryzyko wystąpienia przetężeń związanego z pracą z dużą częstotliwością kluczowania.

Znaczenie ochrony nadprądowej

Kluczową zaletą projektowania zasilaczy o wyższych częstotliwościach przełączania jest zmniejszenie wielkości elementów pasywnych, a tym samym zwiększenie ogólnej gęstości mocy. Jednym minusem jest to, że ta zwiększona gęstość mocy zwielokrotnia wrażliwość uszkodzenia w przypadku przeciążenia prądowego. Obwody ochronne (OCP) w przypadku zasilaczy HEMT eGaN są bardzo ważne, ponieważ dla równoważnych parametrów obszar aktywny struktury HEMT eGaN jest znacznie mniejszy, przez co znacznie trudniej jest rozproszyć nagromadzone ciepło podczas przeciążenia. Zbyt duży prąd musi zostać wykryty, gdy tranzystor pracuje w obszarze liniowym, w przeciwnym razie szybko nastąpi nasycenie powodujące uszkodzenie termiczne.

Tradycyjne podejście do OCP polega na zastosowaniu przekładnika prądu, rezystorów bocznikowych lub obwodów detekcji nasycenia (tabela). Niestety mogą one powiększać indukcyjności pasożytnicze i rezystancje w obwodach mocy, co z kolei wymaga zmniejszenia narastania zboczy. Ponadto elementy te zwiększają koszt i zajmują miejsce na płytce.

Alternatywnym podejściem do OCP jest obserwacja napięcia dren-źródło (Vds) GaN FET, przesunięcie poziomu i podanie go do kontrolera. Ta metoda ma tę zaletę, że nie generuje pasożytniczych indukcyjności i nie wprowadza dodatkowych rezystancji, które wpływają na wydajność obwodu, ale nie zapewnia dużej dokładności głównie ze względu na wysoki współczynnik temperaturowy GaN.

Trzecią opcją jest wybór zintegrowanego stopnia mocy eGaN, który ma zintegrowaną funkcję OCP, jak LMG3411. Obwód ochronny może wyłączyć HEMT w czasie krótszym niż 100 ns i umożliwia normalne włączenie w następnym cyklu, minimalizując zakłócenia na wyjściu.

Podsumowanie

Rosnące zapotrzebowanie na zasilacze impulsowe o wysokiej gęstości energii sprawiły, że tranzystory HEMT eGaN są atrakcyjną opcją dla szerszej gamy projektów zasilaczy. Dostępność zintegrowanych rozwiązań sterownika bramki z tranzystorami znacznie ułatwiło projektantom implementację tych komponentów.

 

Rich Miron

Digi-Key Electronics
https://www.digikey.pl/

Dostępne nowe wydanie
Pobierz bezpłatnie