Tranzystory GaN przełączają obwody mocy znacznie szybciej niż krzemowe tranzystory MOSFET i mogą osiągnąć niższe straty przełączania dzięki mniejszej pojemności bramka-źródło i pojemności wyjściowej dren-źródło. Niższa jest też wartość oporności kanału w stanie przewodzenia RDS(ON), umożliwiająca pracę tranzystora z prądem o większej wartości dla równoważnej wielkości obudowy. Skutkuje to niższymi stratami przewodzenia. Istotny jest ponadto mały lub zerowy ładunek regeneracyjny QRR, ponieważ w GaNach nie ma równoległej do tranzystora diody podłożowej i tym samym efektu gromadzenia ładunku w jej złączu.
Tranzystory GaN pozwalają zrealizować zasilacz AC/DC zasilany prądem przemiennym, który składa się z osobnej jednostki korektora współczynnika mocy (PFC) w roli aktywnego prostownika i następującego po nim izolowanego rezonansowego konwertera DC-DC typu LLC – skrót ten oznacza dwie cewki indukcyjne i jeden kondensator w układzie rezonansowym. Taka topologia konwersji energii bazuje wyłącznie na półmostkowych i pełnomostkowych stopniach mocy, jak pokazano na rysunku 1.
Do sterowania przedstawioną jednostką zasilającą najczęściej używany jest procesor DSP, przez co sygnały sterujące doprowadzane do poszczególnych elementów mocy muszą być izolowane, przy jednoczesnym zapewnieniu możliwości komutacji z dużą częstotliwością. Najczęściej wykorzystuje się do tego celu izolowane specjalistyczne sterowniki bramek o poziomach napięć wyjściowych odpowiednich dla elementów GaN.
Typowe rozwiązania izolacyjne i wymagania
Izolacja komunikacji między jednostkami sterującymi. Użycie sterownika zasilacza w postaci procesora sygnałów cyfrowych DSP wymaga zapewnienia izolacji galwanicznej dla sygnałów sterujących związanych z modulacją PWM. Izolacja jest niezbędna dla elementów mocy oraz dla dodatkowych sygnałów sterujących, w tym linii komunikacyjnych do jednostek sterujących innymi zasilaczami. Do takich zadań można użyć układu dwukanałowego ADuM121 realizującego izolowaną komunikację szeregową UART. Aby zminimalizować rozmiar elementów izolacji sygnału przy zapewnieniu wysokiej odporności na przebicie, po montażu płytki PCB stosuje się dodatkowy uszczelniacz z żywicy epoksydowej pokrywający elementy metalowe będące pod napięciem. To dlatego, że mały rozmiar zasilacza i jednocześnie duża gęstość mocy z jednostki objętości mają tutaj kluczowe znaczenie. Trend ten przenosi się również na rozwiązania izolatorów galwanicznych, które powinny mieć możliwie małe obudowy.
Izolacja dla sekcji korektora PFC. W konwerterach pracujących z dużą częstotliwością kluczowania opóźnienia i przesunięcia czasowe w propagacji impulsów sterujących jak również składowa stała wprowadzana przez sterownik bramki mają kluczowe znaczenie dla bezpiecznej pracy tranzystorów GaN. Jako element sterujący dla elementów mocy w przekształtniku pół- lub pełnomostkowym z tranzystorami GaN można użyć jednokanałowego sterownika ADuM3123 dla sekcji PFC i dwukanałowego sterownika ADuM4223 dla sekcji LLC.
Zasilanie urządzeń za barierą izolacyjną. ADuM5020 to z kolei element oparty na technologii izolacji isoPower firmy ADI, przeznaczony do przenoszenia przez barierę izolacyjną energii zasilającej na poziomie mocy wymaganej przez sterowniki bramki. Jest to kompaktowej wielkości układ scalony, który może tworzyć pomocnicze źródło zasilania o wystarczającej wydajności z punktu widzenia sterowania tranzystorem GaN.
Wymagania dotyczące izolacji. Aby w pełni wykorzystać możliwości tranzystora GaN, należy trzymać się następujących wymagań dla izolowanych sterowników bramek:
- maksymalne dopuszczalne napięcie bramki <7 V;
- szybkość narastania zboczy powyżej 100 kV/ms dla elementów pracujących w stopniu mocy, odporność na stany przejściowe dla sygnałów wspólnych CMTI >100 kV/μs do 200 kV/μs;
- maksymalne opóźnienie przełączania między tranzystorami górnymi i dolnymi w mostku ≤50 ns dla aplikacji 650 V;
- pomocnicze ujemnego napięcie –3 V do wyłączania.
Istnieje kilka rozwiązań pozwalających na sterowanie zarówno tranzystorami górnej, jak i dolnej strony mostka. Powszechne podejście opiera się na tym, że w obiegowej opinii użycie przesuwnika poziomu zapewnia najprostszą realizację. Niemniej prawdziwość takiej tezy daje się wykazać tylko w przypadku współpracy z krzemowymi tranzystorami MOSFET. W konwerterach wysokiej klasy (jak na przykład zasilacz do farmy serwerów) widoczne jest też czasem użycie podwójnego izolowanego sterownika ADuM4223 do sterowania MOSFET- -ami w wybranych implementacjach. Jednak przy przejściu na GaN rozwiązanie z przesuwnikiem poziomu ma wady, bo wprowadza bardzo duże opóźnienie propagacji i zapewnia kiepską tolerancję na stany przejściowe w trybie wspólnym (CMTI), przez co nie jest optymalnym wyborem w układach o wysokiej częstotliwości przełączania. Co więcej, sterownik z dwoma kanałami nie zapewnia wystarczającej elastyczności implementacji w porównaniu do sterowników jednokanałowych, bo trudno w nim zrealizować ujemny potencjał niezbędny do wyłączania tranzystora GaN. Tabela 1 pokazuje porównanie tych realizacji.
Sterowniki jednokanałowe nadają się do użycia z tranzystorami GaN bez żadnych dodatkowych zabiegów. Typowym przedstawicielem tej klasy układów jest ADuM3123, wykorzystujący zewnętrzne obwody zasilania z użyciem diody Zenera i elementów dyskretnych w celu uzyskania ujemnego napięcia polaryzacji, jak pokazano na rysunku 3.
Nowy trend: specjalizowane, izolowane moduły GaN
Co do zasady półprzewodniki mocy GaN nie są integrowane ze sterownikami w jednej obudowie i stanowią dwa oddzielne komponenty. Wynika to z dużej różnicy w procesach ich produkcji, ale niewykluczone, że w przyszłości integracja tranzystorów GaN i sterowników w końcu nastąpi, co jeszcze bardziej poprawi wydajność przełączania, ponieważ zmniejszą się pasożytnicze reaktancje związane z połączeniami. Małe, jednokanałowe sterowniki, takie jak ADuM110N, które zapewniają małe opóźnienie propagacji sygnału sterującego i wysoką częstotliwość maksymalną przełączania i układ izolowanego zasilacza pomocniczego z rodziny isoPower ADuM5020, są w stanie wesprzeć ten trend (rys. 4) i pozwalają na tworzenie takich rozwiązań.
Wniosek
Tranzystory z GaN mają wiele zalet, takich jak mniejsze rozmiary dla tych samych parametrów, mniejszą oporność i wyższą częstotliwość roboczą w porównaniu do tradycyjnych MOSFET-ów krzemowych. Pozwalają one zmniejszyć wymiary zasilaczy bez uszczerbku na wydajności, co najbardziej widać w jednostkach zasilanych średnim i wysokim napięciem. Technologia iCoupler firmy ADI zapewnia doskonałe rezultaty w układach sterowania tymi elementami.
Robbins Ren, Field Applications Engineer Analog Devices
Arrow Electronics Poland
tel. 22 558 82 66
www.arrow.com
