Duża gęstość mocy, czyli jak mieć małe i wydajne w jednym

Na wstępie konieczne jest wyjaśnienie. Pojęcie gęstości mocy jest przez dużą część Czytelników "Elektronika" w pierwszym skojarzeniu prawdopodobnie utożsamiane z własnościami wszelkiego rodzaju sygnałów. W artykule zajmujemy się jednak zagadnieniami związanymi z zasilaniem urządzeń. Skoncentrujemy się przy tym na ostatnim etapie dostarczania energii do układów elektronicznych, a więc na zasilaczach. Ich projektanci dążą do uzyskania wysokiej wydajności, wysokiej niezawodności, małych rozmiarów i niskich kosztów. Takie cele są często wzajemnie sprzeczne, co wymaga podejmowania stosownych kompromisów. Na przykład podwyższenie wymagań dotyczących wydajności najczęściej wiąże się ze zwiększeniem kosztów urządzeń, niekiedy konieczne jest również zwiększenie ich wymiarów.

W tym kontekście gęstość mocy dość intuicyjnie kojarzy się z gabarytami urządzeń. Dążenie do miniaturyzacji elektroniki, szczególnie wyraźnie odnoszące się do urządzeń mobilnych, wiąże się zatem z koniecznością zwiększania gęstości mocy układów zasilających. W skrajnych przypadkach z problemem tym muszą mierzyć się konstruktorzy urządzeń medycznych. Przykładem niech będą wszelkiego rodzaju wszczepiane lub połykane chipy, stymulatory itp. W tej grupie mieszczą się również urządzenia diagnostyczne lub terapeutyczne.

Jak uzyskać dużą gęstość mocy?

Termin "gęstość" jest intuicyjnie kojarzony z objętością. Jeśli mówimy o gęstości mocy jakiegoś układu zasilającego, musimy rozpatrywać nie samą powierzchnię np. PCB zasilacza, ale również całą objętość, jaką zajmuje. Prawa fizyki są jednak nieubłagane. Zmniejszenie objętości, przy zachowaniu tej samej mocy, nie mówiąc już o równoczesnym jej zwiększeniu, musi powodować wzrost temperatury. Aby nie przekroczyć bezpiecznej wartości, ilość wypromieniowywanego ciepła przez zasilacz musi być zmniejszona. Zależność między zmianą temperatury obiektu względem temperatury otoczenia określa prawo stygnięcia Newtona. Uwzględniając powierzchnię, przez którą jest promieniowane ciepło, można napisać:

gdzie: q – ilość przekazywanego przez konwekcję ciepła, h – współczynnik przenikania ciepłą, A – powierzchnia, przez którą jest promieniowane ciepło, ΔT – wzrost temperatury obiektu. Maksymalna ilość ciepła wytwarzanego przez zasilacz jest funkcją jego sprawności i mocy wyjściowej, a pole powierzchni jest funkcją objętości zasilacza. Można więc zapisać:

gdzie: r_VA(V) – stosunek objętości i powierzchnia zasilacza.

Stosunek r_VA(V) zależy od kształtu i objętości obudowy zasilacza. Ponadto h jest funkcją związaną z materiałem powierzchni, jej gładkością i właściwościami czynnika chłodzącego. Należy zauważyć, że wartości wielu parametrów mogą ulec zmianie np. po zastosowaniu wymuszonej konwekcji.

Na rysunku 1 został przedstawiony wykres wymaganej wydajności małej ładowarki USB w funkcji gęstości mocy. W tym przykładzie rozmiar, kształt i maksymalny dopuszczalny wzrost temperatury urządzenia są utrzymywane na stałym poziomie. Dzięki temu przedstawiana jest wyłącznie zależność między gęstością mocy a sprawnością.

 

Rys. 1. Wykres sprawności w funkcji gęstości mocy

Sprawność

Sprawność jest bardzo ważnym parametrem urządzeń elektrycznych, którego nie można ignorować, nawet z pominięciem związku z gęstością mocy. Można wręcz powiedzieć, że w dzisiejszych czasach, przy stale rosnących cenach energii elektrycznej, parametr ten nabiera szczególnego znaczenia. Nie może więc dziwić, że zwiększanie sprawności spędza sen z powiek konstruktorom. W wielu przypadkach jest to związane z zaostrzaniem wielu norm i przepisów. Nie zawsze spełnienie wymagań jest osiągane wyłącznie przez stosowanie do produkcji zasilaczy najlepszych dostępnych elementów.

Topologia

Wybór zasady działania i topologii projektowanego urządzenia to podstawowy kompromis, który jest rozważany już na początkowym etapie pracy konstruktora. Na rysunku 2 zostały przedstawione schematy ideowe wraz z przebiegami prądowymi konwertera pełnomostkowego pracującego w trzech różnych trybach: hard-switching, soft -switching i z przetwarzaniem rezonansowym. Konwertery soft -switching i rezonansowe mogą wymagać starannego zrównoważenia strat przewodzenia i strat przełączania, ponieważ wymagają wyższych prądów tętnień w celu utrzymania wydajnej pracy. Praca w trybie rezonansowym może dodatkowo zwiększać prąd skuteczny i przeciążenia napięciowe, co wpływa na dobór elementów. Efekty te można minimalizować przez stosowanie trybu mieszanego. Sterownik sam wybierze optymalny tryb pracy na podstawie aktualnych warunków.

 

Rys. 2. Trzy tryby pracy konwertera z pełnym mostkiem: a) przełączanie twarde, b) przełączanie miękkie (przesunięcie fazowe), c) pełnomostkowy konwerter rezonansowy LLC

Główną zaletą konwerterów soft -switching i rezonansowych jest znaczna redukcja strat przełączania poprzez przełączanie w zerze (Z_VS) i/lub przełączanie przy zerowym prądzie (Z_CS). Uzyskane większe wydajności można wykorzystać do zwiększenia częstotliwości przełączania i/lub zmniejszenia wymagań dotyczących chłodzenia. Zawsze skutkuje to zwiększeniem gęstości mocy. Z kolei zwiększenie częstotliwość pracy pozwala zmniejszyć rozmiary elementów pasywnych.

Szybkie elementy półprzewodnikowe

Osiąganie dużych gęstości mocy wiąże się z koniecznością stosowania nowoczesnych elementów przełączających charakteryzujących się dużą szybkością działania i małymi stratami przełączania. Są to przede wszystkim najnowsze tranzystory MOSFET, tranzystory MOSFET SiC i tranzystory przełączające oparte na azotku galu (GaN). Czas przechodzenia ze stanu wyłączenia do stanu włączenia jest w tych elementach kilkakrotnie krótszy w porównaniu z elementami starej generacji. Jednocześnie elementy te wykazują się mniejszymi stratami przełączania (włączania i wyłączania). Uzyskanie lepszych parametrów wymagało zaprojektowania nowych obudów o niskiej indukcyjności pasożytniczej wyprowadzeń. O niepożądanych indukcyjnościach musi także pamiętać projektant PCB podczas pracy nad projektem obwodu drukowanego dla wydajnych zasilaczy. Minimalizacja czy wręcz eliminacja indukcyjności pasożytniczych ogranicza powstawanie lokalnych rezonansów, które niekorzystnie wpływają na parametry zasilacza. Kolejną korzyścią jest znacznie dokładniejsza kontrola opóźnień czasowych, które w urządzeniach starej generacji nie stwarzały problemu, a w nowych muszą być uwzględniane.

Technologia "wide gap" – elementy o szerokiej przerwie energetycznej

Dążenie do uzyskiwania dużych gęstości mocy zaowocowało powstaniem nowych technologii stosowanych m.in. do produkcji tranzystorów mocy. Jedną z ważniejszych jest technologia elementów o szerokiej przerwie energetycznej. Tranzystory produkowane w tej technologii charakteryzują się silniejszym polem elektrycznym i większą ruchliwością elektronów w porównaniu z wcześniejszymi technologiami. Parametry kilku technologii zostały zestawione w tabeli 1.

Energia przerwy energetycznej jest równoważna energii wyrwania elektronu od atomu, który po takim zdarzeniu może poruszać się swobodnie, co jest równoznaczne z przepływem prądu elektrycznego. Generalnie można przyjąć, że większa przerwa energetyczna oznacza lepszą przewidywalność zachowania się elementu i lepszą wydajność temperaturową…

Szerokość przerwy energetycznej, przy której różnica potencjałów nie powoduje jeszcze przebicia jest proporcjonalna do natężenia pola przebicia. Z danych przedstawionych w tabeli 1 wynika, że materiały z szeroką przerwą energetyczną są siedmiokrotnie lepsze od krzemu. Dzięki temu elementy o podobnych parametrach napięciowych mogą być mniejsze, a elektrony muszą przebywać krótszą drogę podczas przewodzenia.

Należy zauważyć, że szybkość nasycania, zależna od ruchliwości elektronów, jest równoważna ich średniej prędkości, a to z kolei przekłada się na większą szybkość przełączania i mniejszy opór w stanie włączenia.

Nie można jeszcze pominąć przewodności cieplnej, od której zależy, jak wysoka może być temperatura elementu. Biorąc pod uwagę powyższe właściwości różnych materiałów, nie może więc dziwić, że doskonałym wyborem do produkcji szybkich tranzystorów przełączających jest węglik krzemu. Zestawienie własności materiałów półprzewodnikowych najczęściej stosowanych do produkcji szybkich elementów przełączających zostało przedstawione na rysunku 3.

 

Rys. 3. Teoretyczne granice napięcia pracy i rezystancji w stanie włączenia

Jak widać, materiały o szerokiej przerwie energetycznej, takie jak SiC oraz GaN, mają zbliżone własności, które znacznie przewyższają krzem. Jednak mimo pozornych podobieństw obie technologie znacznie różnią się między sobą.

Tranzystory SiC MOSFET są bardzo podobne w budowie do swoich czysto krzemowych odpowiedników, działają też na podobnej zasadzie. Przyłożone do bramki napięcie powoduje, że swobodne elektrony przemieszczają się do obszaru zubożenia i tworzą kanał przewodzący. Tranzystory typu SiC MOSFET, jak i Si MOSFET są produkowane zarówno w technologii planarnej, jak i trench (rowkowej). Prąd przepływa w nich od powierzchni górnej do dolnej.

Działanie elementów GaN opiera się natomiast na naturalnie występującym dwuwymiarowym gazie elektronowym (przemieszczające się elektrony swobodne) pomiędzy niedomieszkowaną warstwą GaN a n-domieszkowaną warstwą AlGaN. Podstawowa konstrukcja tranzystora musiała więc być zmodyfikowana, aby utworzyć tranzystor normalnie wyłączony. Ma on potoczne określenie eMode GaN. Element ten jest preferowany do zastosowań w energetyce.

Kolejną istotną różnicą jest rozmieszczenie wyprowadzeń. Technologia GaN wymaga, przynajmniej na razie, bocznego umieszczania wyprowadzeń. Prąd płynie więc równolegle do powierzchni elementu, a ponieważ praktycznie należy wykluczyć możliwość nakładania się elektrod drenu, bramki i źródła, pojemności wewnętrzne C_DS, C_GS i C_GD są drastycznie mniejsze.

Mając na uwadze wymagania dotyczące dużej gęstości mocy, niezwykle małe pojemności przełączników GaN wyróżniają je na tle rozwiązań konkurencyjnych i sprawiają, że idealnie nadają się do zastosowań wymagających wysokiej wydajności, częstotliwości i szybkiego przełączania mocy.

Tranzystory mocy GaN

Tranzystory GaN są stosowane w aplikacjach przeznaczonych na dwa różne zakresy napięciowe. Niskonapięciowe tranzystory GaN mają napięcia przebicia 200 V. W tej grupie przeważają tranzystory normalnie wyłączone, tzw. eMode. Zastosowania wysokonapięciowe odnoszą się do zakresu od 200 V do 650 V. W tej grupie są stosowane rozwiązania kaskadowe GaN lub eMode. Przykładowa struktura tego typu została przedstawiona na rysunku 4. Zawarty w niej normalnie włączony tranzystor GaN jest połączony szeregowo z normalnie otwartym niskonapięciowym krzemowym tranzystorem MOSFET o niskiej rezystancji R_DSON, tworząc układ normalnie wyłączony.

 

Rys. 4. Przełącznik mocy GaN w układzie kaskodowym

Takie rozwiązanie ma jednak kilka wad. Zastosowanie dwóch dyskretnych tranzystorów zwiększa złożoność obudowy, negatywnie wpływa na rezystancję w stanie włączenia oraz zwiększa indukcyjność pasożytniczą. Elektrodą sterującą jest bramka zajmująca względnie dużą powierzchnię struktury zapewniającą margines amplitudy dla stanów nieustalonych napięcia sterującego. Niestety, elektroda ta ma dużą pojemność elektryczną, co z kolei wpływa niekorzystnie na straty przełączania. Złożona konstrukcja obudowy, szczególnie połączeń, skutkuje zwiększonymi indukcyjnościami, co również może dodatkowo niekorzystnie wpływać na szybkość przełączania.

Jest jeszcze zagadnienie związane z potencjalnymi przebiciami lawinowymi tranzystora krzemowego MOSFET, które mogą występować podczas wyłączania. Często obserwuje się ponadto oscylacje występujące na bramce tranzystora GaN.

Gan vs. Si

Porównanie obu technologii – GaN vs. Si, najlepiej rozpocząć od zestawienia parametrów krytycznych. Tabela 2 zawiera porównanie parametrów tranzystorów GaN i MOSFET. Kolumna pierwsza zawiera nazwę parametru, kolumna druga wartość liczbową dla tranzystora GaN, kolumna trzecia wartość liczbową dla tranzystora MOSFET, a w kolumnie czwartej podano, o ile lepszy lub gorszy jest element GaN w porównaniu z MOSFET-em. Jak widać, technologia GaN nie jest lepsza pod każdym względem. Niektóre parametry są gorsze niż w elementach MOSFET.

Pierwszym spostrzeżeniem jest zmniejszony ciągły prąd znamionowy tranzystora GaN, o czym decydują względy termiczne. Znacznie lepiej na korzyść elementów GaN wypada porównanie pojemności i ładunku bramki. Warto zauważyć, że w elementach GaN praktycznie wyeliminowano pojemność COSS. Na niekorzyść wypadają porównania napięciowe. Można powiedzieć, że tranzystory GaN są delikatniejsze. W zależności od indywidualnych niuansów technologicznych zakres napięć sterujących bramką w wyrobach różnych producentów zawiera się w przedziale od 4,5 V do 6,5 V. Jest to tylko o 2 V mniej niż dopuszczalne napięcie bramki. Warto podkreślić dużo mniejszą wrażliwość zmian parametrów elementów GaN na temperaturę w porównaniu z elementami Si, co jest związane ze zwiększoną przerwą energetyczną.

Ważnym parametrem tranzystorów przełączających jest rezystancja bramki, ponieważ ogranicza ona prąd sterowania. Parametr ten jest jednak w dużym stopniu uzależniony od rozwiązań konstrukcyjnych niezwiązanych z technologią, w niektórych przypadkach może więc być lepszy, w innych gorszy.

Oprócz wymienionych różnic wynikających z podstawowych parametrów omawianych elementów istnieją ponadto różnice będące konsekwencją szczegółów związanych z technologią. Ich dokładne poznanie wymaga dogłębnej analizy zjawisk fizycznych.

Tranzystory mocy typu GaN są zdolne do przewodzenia prądu w obu kierunkach. Rezystancja R_DSON pozostaje niezmienna bez względu na kierunek przepływu prądu. Jeśli tranzystor jest wyłączony, blokowany jest przepływ prądu od drenu do źródła, a więc zgodnie z oczekiwaniami. W kierunku przeciwnym (od źródła do drenu) prąd może płynąć tak jak w tranzystorze MOSFET przez wewnętrzną diodę (body diode). W tranzystorach GaN nie ma jednak pasożytniczego złącza p-n, cały prąd płynie przez ten sam obszar jak w kierunku dren–źródło. Różnica polega na tym, że spadek napięcia na wyprowadzeniach źródło–dren wynosi ok. 3 V w trzeciej ćwiartce. Brak złącza p-n oznacza, że nie jest gromadzony żaden ładunek, który nie musi być usuwany, gdy prąd jest wyłączany.

Warto podkreślić, że elementy wykonane w technologii GaN charakteryzują się największym wzmocnieniem (transkonduktancją) spośród wszystkich elementów przełączających mocy. Jest to istotne z dwóch powodów. Po pierwsze: bardzo mała zmiana napięcia V_GS w pobliżu napięcia progowego może spowodować duże i szybkie zmiany prądu tranzystora. Stanowi to dużą zaletę dla aplikacji szybkiego przełączania mocy. Duże wzmocnienie stanowi jednak spore zagrożenie, jeśli napięcie sterujące V_GS nie przechodzi szybko przez tzw. obszar liniowy. W trybie liniowym prąd tranzystora jest sterowany napięciem V_GS, i jeśli napięcie to zbyt długo utrzymuje się w pobliżu napięcia progowego, możliwe są oscylacje. Z tego powodu ważne jest, aby napięcie sterujące bramką tranzystora GaN miało krótkie czasy narastania i opadania.

Niekorzystną własnością technologii GaN w porównaniu z tranzystorem krzemowym MOSFET jest większy dodatni współczynnik temperaturowy rezystancji R_DSON. W efekcie rezystancja ta rośnie szybciej wraz ze wzrostem temperatury złącza. Dodatni współczynnik temperaturowy jest niezbędny dla połączeń równoległych, a wyższy TC wpływa na lepszy podział prądu pomiędzy połączonymi równolegle tranzystorami.

Najbardziej niekorzystną cechą technologii GaN jest bardzo ograniczona energia przebicia lawinowego. W zastosowaniach praktycznych należy pilnować, aby napięcia dren-źródło oraz bramka-źródło tranzystorów GaN nie były przekraczane. W niemal wszystkich przypadkach w aplikacjach zarządzania energią przepięcia występujące na wyprowadzeniach drenu i źródła lub źródła i bramki mają wystarczającą energię, aby spowodować uszkodzenie tranzystora.

Wybór topologii i obszary zastosowań

Wadą technologii GaN jest ograniczona zdolność do pracy z efektem lawinowym. Urządzenia powinny więc być zabezpieczane przed pojawianiem się napięć przewyższających wartości znamionowe. Dotyczy to nie tylko normalnej pracy, ale też takich sytuacji jak: zwarcia, wejściowe stany nieustalone, zmiany temperatury itp. Występujące wówczas napięcia są mało przewidywalne, a mogą przekraczać napięcia robocze. Jest to powód, choć nie jedyny, dla którego w aplikacjach GaN jest preferowany układ półmostka full clamped (rys. 5)

 

Rys. 5. Konfiguracja półmostka full clamped

Układ z rysunku 5 zapewnia najlepszą ochronę tranzystorów GaN przed ewentualnymi przepięciami. Górny tranzystor spełnia funkcję tłumienia dla tranzystora strony niskonapięciowej. Maksymalne przepięcie dla tranzystora niskonapięciowego jest ograniczone do ok. 3 V wyższego napięcia niż to, które występuje na kondensatorze magazynującym energię (CBULK). To nadmiarowe napięcie wynika ze spadku napięcia na końcówkach źródło-dren górnego tranzystora mocy GaN w trzeciej ćwiartce, gdy prąd płynie ze źródła do drenu przy V_GS=0 V. Ponieważ elementem zaciskowym jest tranzystor GaN, działanie zaciskowe jest niezwykle szybkie. Należy pamiętać, że podczas odwrotnego przewodzenia tranzystora GaN nie jest wykorzystywane złącze p-n ani składnik pasożytniczy, dlatego nie ma regeneracji do przodu, która mogłaby opóźnić ograniczenie napięcia występującego na chronionym tranzystorze komplementarnym w topologii półmostka.

Jeszcze korzystniejszy jest całkowity brak regeneracji wstecznej w tranzystorach GaN, gdy prąd jest usuwany z tranzystora przewodzącego w trzeciej ćwiartce. W układach z tranzystorami MOSFET nazywa się to wymuszoną komutacją diody wewnętrznej (body diode). Takie działanie tranzystora mocy MOSFET powoduje powstawanie poważnych strat, które ostatecznie mogą doprowadzić do jego awarii. W celu minimalizacji problemu w tranzystorach mocy MOSFET wprowadzono opcjonalne szybkie diody regeneracyjne, ale tranzystory te mają nieco wyższą rezystancję R_DSON dla struktury o tej samej wielkości.

 

Rys. 6. Przetwornica bezmostkowa totem-pole boost PFC

 

Rys. 7. Przetwornica mostkowa Dual Active Bridge (DAB)

 

Rys. 8. Półmostkowa przetwornica rezonansowa LLC

Uboczną korzyścią zastosowania dwóch przełączników GaN w układzie półmostkowym jest automatyczna redukcja indukcyjności pasożytniczych w pętli, w której płyną przełączane prądy. Pętlę tę tworzą dwa przełączniki i kondensator obejściowy wysokiej częstotliwości (CHF). Małe wymiary i niska indukcyjność obudów tranzystorów GaN sprzyjają minimalizowaniu indukcyjności pętli, zapewniając najlepszą możliwą wydajność przełączania. W związku z tym w aplikacjach GaN najbardziej popularne są struktury półmostkowe. Na rysunkach 6...11 została przedstawiona kompilacja wybranych topologii. Konstrukcje półmostkowe są zaznaczone kolorem czerwonym.

 

Rys. 9. Przetwornica Active Clamp Flyback

 

Rys. 10. Inwerter rezonansowy klasy DE

 

Rys. 11. Synchroniczny regulator buck

Bezmostkowy układ korekcji mocy z wyjściem totem-pole (PFC)

W aplikacjach układów korekcji mocy (PFC) najbardziej popularne są bezmostkowe rozwiązania z wyjściem totem-pole (rys. 6). Jedno odgałęzienie (półmostek) stopnia wejściowego pracuje na częstotliwości linii i może być zaimplementowana z użyciem diod, jak to pokazano na rysunku, lub tranzystorów MOSFET. Druga gałąź pracuje z wyższą częstotliwością wyznaczającą częstotliwość roboczą przetwornicy i decydującą o rozmiarze cewki indukcyjnej. Jeśli jest wymagany mały rozmiar i duża wydajność, półmostek ten jest implementowany w oparciu o tranzystor mocy GaN.

 

Rys. 6. Przetwornica bezmostkowa totem-pole boost PFC

Omawiany układ może pracować w trybie przewodzenia granicznego ze zmienną częstotliwością. W takim przypadku może być użyta cewka wejściowa o małych wymiarach, ale z wyższym prądem tętnień dla danej mocy wyjściowej. Przy zastosowaniu odpowiedniego algorytmu sterowania szybka gałąź może przełączać w zerze dla obu tranzystorów GaN. Mniejsza cewka indukcyjna i miękkie przełączanie umożliwiają pracę z wyższą częstotliwością bez większych strat przełączania, dzięki czemu może być osiągnięta większa gęstość mocy.

Jeśli pożądany jest mały prąd tętnień płynący przez cewkę, obwód pracuje ze stałą częstotliwością, a cewka podwyższająca pozostaje w trybie CCM przez większą część cyklu. W takim trybie mamy do czynienia z twardym przełączaniem, co oznacza, że przełącznik prostownika nadal przewodzi, gdy główny przełącznik jest włączony (w dodatnim cyklu dolny przełącznik jest przełącznikiem głównym, a dolny działa jak prostownik). Byłoby to bardzo niepożądane w przypadku tranzystorów MOSFET, ponieważ powodowałoby wymuszoną komutację diody wewnętrznej. Ponieważ w tranzystorach GaN nie występuje efekt magazynowania ładunku i regeneracji, twarde przełączanie jest możliwe nawet przy wysokich częstotliwościach

Przetwornica z dwukierunkowym mostkiem aktywnym (Dual Active Bridge – DAB)

Na rysunku 7 została pokazana przetwornica z dwukierunkowym mostkiem aktywnym (DAB). Konstrukcja jest oparta na dwóch układach pełnego mostka. Rozwiązanie to nadaje się idealnie do zastosowań w ładowarkach pokładowych z tranzystorami GaN charakteryzujących się dużą gęstością mocy. W zależności od wymaganego kierunku przepływu mocy jeden z obwodów mostkowych może być mostkiem sterowanym lub prostownikowym.

 

Rys. 7. Przetwornica mostkowa Dual Active Bridge (DAB)

Przetwor nica ta zapewnia ponadto działanie z pełnym mostkiem, w której możliwe jest stosowanie względnie prostego transformatora mającego dwa uzwojenia o podobnej liczbie zwojów. Taki transformator łatwo jest więc optymalizować do pracy przy wysokich częstotliwościach.

Warto przy okazji wspomnieć, że rozwiązania mostkowe z tranzystorami GaN są bardzo często stosowane w ładowarkach bezprzewodowych. Decyduje o tym częstotliwość pracy, która jest równa zwykle 6,5 MHz i 13 MHz. Przy tych częstotliwościach tranzystory GaN oferują znacznie lepsze parametry niż tranzystory krzemowe. W niektórych przypadkach implementacja GaN umożliwia bezpośrednie sterowanie cewki ładującej z wysokiego napięcia, dzięki czemu można wyeliminować pośredni etap przetwarzania, zwiększyć wydajność i gęstość mocy.

Półmostkowa przetwornica rezonansowa LLC

Przetwornica przedstawiona na rysunku 8 to dobrze znana konstrukcja LCC, w której zastosowano strukturę półmostkową po stronie pierwotnej napędzającą obwód rezonansowy LLC. W stanie ustalonym podczas normalnej pracy przełączanie półmostka po stronie pierwotnej następuje w zerze napięcia, a przełączniki synchroniczne po stronie wtórnej są przełączane przy zerowym prądzie. Dzięki miękkiemu przełączaniu przetwornica taka może pracować z dużą wydajnością przy umiarkowanie wysokich częstotliwościach nawet z tranzystorami MOSFET.

 

Rys. 8. Półmostkowa przetwornica rezonansowa LLC

Zastosowanie tranzystorów GaN po stronie pierwotnej i uzupełnienie ich po stronie wtórnej prostownikiem synchronicznym GaN może dodatkowo zwiększyć wydajność i/lub częstotliwość roboczą. Dzięki temu możliwe jest zmniejszenie rozmiarów urządzenia.

Przetwornice LLC są dość powszechnie stosowane w zasilaczach o wysokiej gęstości mocy i zasilaczach niskoprofilowych, takich, jakie spotykamy w dużych ekranach telewizyjnych. Przetwornice LLC o wyższych mocach są często montowane w urządzeniach telekomunikacyjnych i w systemach zasilania serwerów.

Przetwornica Active Clamp Flyback

 

Rys. 9. Przetwornica Active Clamp Flyback

Przetwornice active clamp flyback (rys. 9) są znane od dość dawna, ale nie były stosowane do tej pory szeroko, przede wszystkim ze względu na złożoność drugiego sterowanego klucza. Zainteresowanie tym rozwiązaniem wzrosło wraz z pojawieniem się elementów GaN.

Przetwornice active clamp flyback nadają się idealnie do konstrukcji półmostka GaN, ponieważ oba urządzenia są połączone szeregowo z zasobnikiem energii wejściowej i kondensatorem clamp. Małe pojemności półprzewodników GaN ułatwiają osiągnięcie przełączania w zerze dla szerszego napięcia wejściowego i zakresu obciążenia. Przełączanie w zerze i dopasowany prostownik synchroniczny GaN umożliwiają przesunięcie częstotliwości do zakresu megahercowego. Rozmiary transformatora i kondensatora mogą być dzięki temu również zmniejszone. Zaawansowane sterowniki mogą spełniać wymagania dotyczące sprawności przy małym obciążeniu, aby spełnić standardy przemysłowe. Przetwornice active clamp fl yback są obecnie używane przede wszystkim w przenośnych ładowarkach o dużej gęstości mocy, a także w małych zasilaczach.

Przetwornice rezonansowe o bardzo dużej częstotliwości pracy

 

Rys. 10. Inwerter rezonansowy klasy DE

Tranzystory GaN znajdują zastosowanie w jeszcze jednej grupie przetwornic. Są to urządzenia pracujące z częstotliwościami od 20 MHz do 100 MHz. Przykładowa topologia została przedstawiona na rysunku 10. Jest to konfiguracja klasy DE, w której tranzystory GaN pracują z ekstremalnie wysokimi częstotliwościami. Zapewniono w niej pożądane tłumienie w gałęzi mostka GaN, nie są też z niej widoczne wysokie napięcia. Często nie da się tego uniknąć w obwodach rezonansowych w nienormalnych warunkach pracy.

Jakkolwiek inwerter klasy DE przedstawiony na rysunku 10 nie jest izolowany, to możliwe jest zbudowanie takiego układu z transformatorem izolującym, pozwalającym na użycie go w aplikacjach off-line. Najczęściej układy takie są stosowane w aplikacjach oświetleniowych o wysokiej wydajności.

Synchroniczna przetwornica typu buck

 

Rys. 11. Synchroniczny regulator buck

Do jednych z najbardziej popularnych konfiguracji należy zaliczyć przetwornicę typu buck (rys. 11). Zapewniono w niej idealne warunki pracy półmostka GaN, umieszczając go równolegle z kondensatorem magazynującym energię wejściową.

Przełączniki GaN jako prostowniki synchroniczne

Na rysunku 12 prostowniki synchroniczne zostały wyróżnione kolorem czerwonym. Prostowanie synchroniczne jest w wielu aplikacjach z tranzystorami GaN przypadkiem szczególnym, ponieważ nie są zgodne z pożądanymi strukturami full clamped. Niemniej jednak przełączniki GaN są popularne w układach prostowania synchronicznego, ponieważ oferują najkrótsze opóźnienia włączania i wyłączania oraz zapewniają najlepszą dokładność taktowania. W wielu przypadkach chęć uzyskania dużej prędkości przewyższa oczekiwanie całkowitej ochrony przed przeregulowaniem w systemie, chociaż prawie idealna dokładność taktowania, którą można osiągnąć używając tranzystorów GaN, pomaga uniknąć lub przynajmniej zmniejszyć przepięcia dla prostowników synchronicznych.

 

Rys. 12. Konfiguracje prostowników synchronicznych a) active clamp flyback, b) półmostek rezonansowy LLC, przełącznik Switch Forward

Zalecenia projektowe

Tranzystory GaN to elementy zapewniające bardzo dużą szybkość i wydajność, muszą być jednak odpowiednio używane. Warunkiem osiągania wysokiej wydajności jest m.in. stosowanie elementów pasywnych najwyższej jakości i rygorystycznego przestrzegania reguł projektowania. Już na wstępie należy więc odrzucić jednowarstwową płytkę drukowaną, na której będą montowane elementy w technice przewlekanej. Taka płytka nie zapewni wymaganych małych indukcyjności połączeń i po prostu nie nadaje się do układów pracujących z wysokimi częstotliwościami. Technologia GaN wymaga ponadto dużej gęstość upakowania elementów, a to przekłada się również na rozmiary obudów wszystkich komponentów. W większości przypadków konieczne jest projektowanie obwodów drukowanych na płytkach czterowarstwowych z dużą gęstością ścieżek. Należy ponadto zwrócić uwagę że:

• odległość między kondensatorem wejściowym i przełącznikiem GaN powinna być mała, a połączenie bezpośrednie (należy unikać przelotek),
• węzeł kluczujący powinien być mały, bezpośredni i izolowany,
• węzeł kluczujący i PGND pełni funkcję radiatora dla tranzystorów GaN,
• jeśli do chłodzenia jest wykorzystywanych wiele warstw, należy używać przelotek termicznych,
• ścieżki dla sygnałów wejściowych i sterujących bramką powinny być krótkie, bezpośrednie i równej długości; ścieżka wyjściowa powinna pokrywać się ze ścieżką powrotną, ścieżki te powinny być umieszczone na sąsiednich warstwach (minimalna odległość).

Innym ważnym zagadnieniem jest uziemienie oraz rozmieszczenie płaszczyzn zasilania. Nawet gdy mamy do dyspozycji cztery warstwy, prawidłowa separacja uziemienia dla ścieżek sygnałowych i zasilających może stanowić problem. Podobnie jest z identyfikacją i separacją pętli wysokoprądowych (DC) i komutowanych pętli prądowych (AC). Podczas projektowania ścieżek zasilających należy przestrzegać poniższych zasad:

• stosowanie oddzielnych płaszczyzn uziemiania sygnału i zasilania, łączyć je tylko w jednym punkcie (połączenie w gwiazdę),
• minimalizować pętlę zasilającą, gdzie tylko jest to możliwe, używać sąsiednich płaszczyzn do zasilania i jej ścieżki powrotnej,
• zapewniać punkty testowe typu tip and barrel dla kluczowych sygnałów.

Uwagi końcowe

Jednym z najważniejszych kryteriów oceny współczesnych zasilaczy staje się gęstość mocy. Wysoka wartość tego parametru w danym urządzeniu oznacza zwykle znaczące korzyści ekonomiczne. Uzyskiwanie dużych gęstości mocy stało się możliwe dzięki wprowadzeniu nowych technologii podzespołów, takich jak SiC i GaN. Wydaje się, że technologie te na dłużej zadomowią się w aplikacjach zasilaczy i konwerterów mocy. Trend taki obserwowaliśmy wcześniej w odniesieniu do tranzystorów bipolarnych, IGBT oraz MOSFET.

Jarosław Doliński

Źródło: materiały ON Semiconductor – "Th e Quest for Power Density"