Przełączniki IPS CoolGaN w ładowarkach i zasilaczach o wysokiej gęstości mocy
| TechnikaJednym z istotniejszych trendów rynkowych współczesnych aplikacji zasilających jest miniaturyzacja. Klienci poszukują kompaktowych rozwiązań ładowarek i zasilaczy dużej mocy, co przekłada się na zapotrzebowanie na nowoczesne konstrukcje o dużej gęstości mocy. To z kolei wymaga użycia bardziej wydajnych topologii konwerterów, lepszych przełączników półprzewodnikowych i materiałów magnetycznych. Pojawienie się na rynku tranzystorów mocy GaN HEMT, zapewniających doskonałe parametry komutacji, znacznie ułatwia to zadanie.
Artykuł przedstawia rodzinę najnowszych produktów Infineona z tranzystorami polowymi HEMT (High Electron Mobility Transistor) z azotku galu, jak zintegrowany przełącznik IPS CoolGaN i jego zastosowanie w konwerterach o wysokiej sprawności wykonanych w topologiach: active clamp flyback (ACF), hybrydowy flyback (HFB) i półmostkowy konwerter LLC.
W przypadku ładowarek i zasilaczy, dla osiągnięcia dużej gęstości mocy, krytycznym czynnikiem jest zwiększenie częstotliwości przełączania w stopniu mocy w celu zmniejszenia rozmiaru elementów magnetycznych, jak transformator impulsowy i filtr EMI, przy jednoczesnym zachowaniu wysokiej sprawności konwersji energii. W tak sprecyzowanym obszarze dobrze sprawdzają się wybrane nowe topologie półmostkowe (HB), jak active clamp flyback (ACF), hybrydowe przetwornice zaporowe (Hybrid Flyback, HFB) i konwertery typu LLC. W tych topologiach możliwe jest osiągnięcie dużej sprawności przy jednocześnie wysokiej częstotliwości komutacji dzięki wykorzystaniu mechanizmu przełączania w zerze (Zero Voltage Switching, ZVS) oraz dodatkowo bez konieczności użycia gasika (snubbera).
Tranzystory heterozłączowe HEMT GaN charakteryzują się lepszą wartością parametrów FOM (Figure of Merit) w porównaniu z najnowocześniejszym krzemowym MOSFET-ami, jak na przykład RDS(on)×Qg, RDS(on)×EOSS, RDS(on)×QOSS. Elementy te mają znacznie mniejsze straty związane z przełączaniem, wymagają znacznie krótszego czasu martwego i potrzebują mniej mocy sterującej. Korzyści te umożliwiają ich pracę przy wysokich częstotliwościach kluczowania, co pozwala na miniaturyzację zasilaczy.
Aby jeszcze bardziej zmniejszyć rozmiar systemu zasilania, firma Infineon wprowadziła niedawno na rynek CoolGaN IPS – komponent, który zawiera w jednej obudowie QFN 600-woltowy tranzystor mocy CoolGaN razem z izolowanym sterownikiem bramki. Taki sterownik upraszcza konstrukcję ładowarek AC/DC i zasilaczy średniej mocy, bazujących na półmostkowych topologiach konwersji. Uproszczony schemat blokowy konwertera active clamp flyback z CoolGaN IPS w wersji z dwoma kanałami pokazano na rysunku 1.
Ta wersja CoolGaN IPS ma dwa kanały, tj. tranzystory mocy i drivery bramki połączone w układ półmostkowy i spięte ze sterownikiem za pomocą izolacji magnetycznej. Wbudowany transformator bezrdzeniowy (coreless transformer, CT) pozwala na łatwe sterowanie górnym tranzystorem przełączającym (high-side). Identyczny transformator jest również zamontowany w dolnej ścieżce, tym razem ze względu na symetrię czasów propagacji, co w rezultacie daje galwaniczną izolację wejścia-wyjścia oraz górnej i dolnej części półmostka. Izolacja galwaniczna sterownika bramki rozdziela też masy obwodów mocy i sterującego, co poprawia odporność na zakłócenia i zwiększa pewność przełączania tranzystorów mocy z dużą prędkością. Sprzężenie magnetyczne obwodów gwarantuje niezawodność sterowania nawet w przypadku bardzo szybkiej komutacji przy stromości zboczy powyżej 300 V/ns.
Tranzystor CoolGaN to element sterowany prądowo, bardziej zbliżony funkcjonalnie do tranzystora złączowego FET niż do MOSFET-a. Jego obwód bramki nie jest izolowany od kanału i od strony elektrycznej zachowuje się jak dioda o napięciu przewodzenia VF od 3 do 4 V. Obwód zastępczy i typowa charakterystyka obwodu bramki pokazane są na rysunku 2. Do pracy w stanie włączonym (ON) wymaga on zapewnienia ciągłego prądu bramki do osiągnięcia stabilnych warunków pracy. Element ten jest "normalnie wyłączony", ale napięcie progowe VTH jest raczej małe (+1 V), przez co dla zapewnienia pewnej blokady stanu w położeniu OFF wymagane jest podanie ujemnego napięcia bramki –VN, zwykle w zakresie kilku woltów (rys. 2b). Ma to kluczowe znaczenie dla umożliwienia szybkiego wyłączenia tranzystora oraz zapewnienia braku przepływu prądu skrośnego w układzie półmostka.
Ujemne napięcie sterowania bramką można zapewnić dzięki doskonale znanemu rozwiązaniu dwójnika RC umieszczonego w obwodzie sterującym między bramką a wyjściem sterownika (rys. 3).
W rozwiązaniu przedstawionym na rysunku 3 rezystor Rtr ustala maksymalną wartość prądu ładowania i rozładowania pojemności wejściowej tranzystora. Gdy wymagane są różne impedancje obwodu bramkowego dla włączania i wyłączania, można zastosować dodatkowy rezystor Roff z diodą dołączony równolegle do Rtr.
Zastosowanie CoolGaN IPS w ładowarkach i zasilaczach
Konstrukcja ładowarek i zasilaczy adapterowych o małej mocy wyjściowej została zdominowana przez topologię flyback (przetwornica zaporowa) ze względu na jej prostotę układową i niewielkie koszty. Jednak, ponieważ straty energii podczas przełączania tranzystorów i transformatora są zależne od częstotliwości kluczowania, w praktyce maksymalna częstotliwość przełączania przetwornicy zaporowej jest ograniczona przez wymaganą sprawność, co ogranicza gęstość mocy. Użycie tranzystorów HEMT w takim konwerterze pomaga zwiększyć częstotliwość przełączania, gdyż tranzystor ten ma znacznie lepsze parametry od równoważnej prądowo wersji krzemowej. Jednak, aby osiągnąć jeszcze większą miniaturyzację, niezbędne staje się użycie innych sposobów konwersji energii, tj. z miękkim przełączaniem tranzystorów i z odzyskiem energii z reaktancji pasożytniczych. Takie właściwości mają topologie jak active clamp flyback (ACF), hybrydowy flyback (HFB) i konwertery półmostkowe LLC.
Miękkie przełączanie oznacza komutację przy zerowym napięciu (ZVS) panującym na elektrodach tranzystora mocy, natomiast energia pasożytnicza gromadzona w transformatorze (związana z magnesowaniem rdzenia) jest wykorzystywana do odbioru ładunku QOSS z przełączników mocy. Prąd magnesujący powoduje dodatkowe straty energii w transformatorze (zarówno w rdzeniu, jak i w uzwojeniu pierwotnym), a konieczność odebrania zgromadzonej w polu magnetycznym energii z nim związanej podczas przełączania znacząco wpływa na możliwy do uzyskania czas martwy. Tymczasem duży czas martwy zmniejsza efektywny współczynnik wypełnienia i zwiększa wartość prądu płynącego w obwodzie mocy, co zwiększa straty przewodzenia. Dlatego w przypadku pracy z bardzo wysoką częstotliwością przełączania minimalizacja czasu martwego jest krytyczna.
Dzięki znakomitej wartości parametru FOM RDS(on)×QOSS tranzystory mocy GaN HEMT pozwalają zmniejszyć czas martwy, a także wartość prądu magnesującego, dzięki czemu elementy te szczególnie polecane są do takich topologii konwersji.
Active clamp flyback (ACF)
Rysunek 4 przedstawia przykład użycia CoolGaN IPS w konwerterze ACF. W rozwiązaniu tym górny tranzystor realizuje odzysk energii zgromadzonej w indukcyjności rozproszenia transformatora (Llk), a więc jest załączany w czasie, gdy główny tranzystor przełączający (dolny) jest wyłączony. Energia zgromadzona w indukcyjności Llk przez tworzącą z nią obwód rezonansowy pojemność CCLMP przy przewodzącym tranzystorze powoduje przeniesienie energii do obciążenia. Napięcie drgań w obwodzie rezonansowym Llk i CLMP jest transformowane na stronę wtórną, a więc energia trafia do wyjścia. Taki proces odzyskiwania zwiększa sprawność w porównaniu z rozwiązaniem pasywnym, gdzie była tłumiona (zamieniana na ciepło) w trójniku RCD. Dobrze zaprojektowana topologia ACF działa w warunkach ZVS, dlatego zasilacz może pracować ze znacznie większą częstotliwością przełączania niż quasi-rezonansowa (QR) przetwornica zaporowa, która działa w trudniejszych warunkach przełączania tranzystora mocy. Przełączanie w zerze napięcia pomaga zmniejszyć rozmiar komponentów magnetycznych, w tym transformatora i filtrów EMI.
Konwerter ACF zawiera dwa tranzystory, transformator, kondensator rezonansowy Cclamp oraz prostownik i kondensatory na wyjściu. Na rysunku 5 przedstawiono typowe przebiegi podczas pracy, które wyjaśniają zasadę działania.
Przetwornica zaporowa działa w dwóch taktach. W pierwszym gromadzi energię w polu magnetycznym uzwojenia pierwotnego i indukcyjności rozproszenia transformatora (Llk). W tym czasie dolny przełącznik jest włączony. Następnie tranzystor jest wyłączany i zgromadzona w polu magnetycznym energia jest przekazywana do wyjścia przez przewodzącą diodę dołączoną do uzwojenia wtórnego. W tym czasie załączany jest górny tranzystor, na skutek czego energia zmagazynowana w polu rozproszenia i ta wynikająca z prądu magnesującego rdzeń, przenoszona jest na wyjście. Przełączniki komutowane są w ZVS, co zapewnia dalszą poprawę sprawności.
Najważniejsze cechy przełączników CoolGaN IPS
|
Hybrydowy flyback (HFB)
Rysunek 6 przedstawia aplikację przetwornicy w topologii hybrydowego flybacka (HFB) z CoolGaN IPS. Układ ten składa się z przełączników górnego (high-side) i dolnego (low-side), transformatora, układu rezonansowego (Llk i Cr) oraz na wyjściu prostownika i kondensatorów. Jest to kolejna topologia, która używa miękkiej komutacji tranzystorów mocy i zapewnia dużą gęstość mocy i sprawność. Indukcyjność rozproszenia transformatora i magnesująca rezonują z kondensatorem zgodnie z koncepcją konwertera LLC. Sterownik z niekomplementarnym schematem komutacji zapewnia rozwiązanie, które działa w szerokim zakresie napięć wejściowych AC i DC, co jest przydatne do zasilacza z USB-C PD.
Hybrydowy flyback może komutować z ZVS po stronie pierwotnej i z ZCS po stronie wtórnej, a energia pola rozproszenia rdzenia jest odzyskiwana. W odróżnieniu od zwykłych zasilaczy rezonansowych LLC topologia HFB może działać w szerokim zakresie mocy wyjściowych, co w zasilaczach LLC jest trudne do uzyskania.
Rysunek 7 zawiera przebiegi napięć podczas pracy, wyjaśniające zasadę działania. Gdy przełącznik górny jest włączony, konwerter gromadzi energię w cewce uzwojenia pierwotnego. Gdy zostanie wyłączony, zmagazynowana energia jest przekazywana na wyjście, po włączeniu tranzystora dolnego. Dzięki kontroli momentów włączania i wyłączania obu tranzystorów zapewnia się działanie ZVS obu kluczy, wysoką sprawność. Dalsza poprawa efektywności konwersji jest możliwa po stronie wtórnej przez implementację prostownika tranzystorowego komutującego w zerze prądu (ZCS) zastępującego zwykłą diodę. Dzięki temu hybrydowy flyback jest konkurencyjnym cenowo rozwiązaniem w zasilaczach o ultrawysokiej gęstości mocy, takich jak szybkie ładowarki USB-PD do telefonów.
Konwerter LLC
Rysunek 8 przedstawia przykład przetwornicy w topologii półmostkowej LLC. Jest to układ rezonansowy, co oznacza, że regulacja napięcia działa inaczej niż w konwencjonalnych układach PWM. Skrót LLC oznacza topologię użytego 3-elementowego szeregowego obwodu rezonansowego: cewka-cewka- kondensator L-L-C – jak na rysunku poniżej. Przetwornica LLC zmienia napięcie wyjściowe poprzez modulację częstotliwości, pracując z 50-procentowym cyklem pracy i stałym przesunięciem fazowym 180°. Składa się z dwóch przełączników w układzie półmostka, transformatora, obwodu rezonansowego (Lr i Cr) oraz wyjściowego prostownika i kondensatorów.
Rysunek 9 pokazuje typowe przebiegi pracy półmostkowego konwertera LLC. Gdy przełącznik górny jest włączony, konwerter działa w trybie transmisji mocy na wyjście. Obwód rezonansowy jest pobudzany napięciem dodatnim, więc prąd też płynie w takim kierunku. Gdy włączony jest dolny przełącznik, obwód rezonansowy jest pobudzany napięciem ujemnym. Różnica między prądem płynącym w układzie rezonansowym a prądem magnesującym rdzeń jest transformowana na stronę wtórną i dostarczana do obciążenia.
Oba tranzystory mostka włączają się w zerze napięcia dzięki pracy w rezonansie, co skutkuje pełnym odzyskiem energii gromadzonej w pasożytniczej pojemności wyjściowej MOSFET-ów. Użycie zamiast diod synchronicznego prostownika na wyjściu przełączającego w zerze prądu (ZCS) umożliwia zminimalizowanie strat dynamicznych, a tym samym zwiększenie ogólnej sprawności, szczególnie przy wyższych częstotliwościach pracy w zakresie setek kHz do MHz.
Podsumowanie
Dzięki dużej sprawności i zintegrowanemu sterownikowi bramki w małej obudowie rozwiązania CoolGaN IPS pozwalają na projektowanie ładowarek i zasilaczy adapterowych o dużej gęstości mocy. Wykorzystanie GaN oraz topologii typu active clamp flyback, hybrydowych flyback oraz LLC jest naturalnym krokiem w kierunku wysokich częstotliwości oraz gęstości mocy.
Infineon
www.infineon.com
