Technologia węglika krzemu (SiC) zapewnia znacznie lepsze parametry w porównaniu do elementów krzemowych, niemniej zintegrowana ze strukturą dioda podłożowa nadal jest źródłem strat związanych z procesem odzyskiwaniem stanu zaporowego. GaN praktycznie eliminuje te wąskie gardła technologii, umożliwiając bardzo szybkie i wydajne przełączanie obwodów mocy w szerokim zakresie napięć. Elementy SiC są dobrze dopasowane do aplikacji, w których priorytetem jest maksymalna niezawodność i szeroki zakres temperatur, krzemowe tranzystory MOSFET dalej mogą być odpowiednie w tanich układach niskiej częstotliwości, natomiast GaN oferuje niezrównaną wydajność i efektywność, co czyni go atrakcyjną opcją dla projektantów zaawansowanych aplikacji. Na rysunku 1 pokazano główne różnice parametrów dla tych elementów.
Aby element przełączający (tranzystor mocy) był w stanie "normalnie wyłączonym", tj. nie przewodził bez sygnału sterującego, co jest bardzo ważne w systemach konwersji mocy, stosuje się trzy architektury: kaskodowe GaN, GaN pracujący w trybie ze wzbogacaniem kanału i dodatkową bramką Schottky’ego p-GaN oraz tranzystory pracujące w trybie wzbogacania kanału z mechanizmem gate-injection (GIT).
Tranzystory kaskodowe GaN zawierają szeregowe połączenie tranzystora HEMT GaN (normalnie włączony) z niskonapięciowym krzemowym tranzystorem MOSFET, co realizuje funkcję "normalnie wyłączony" i pozwala na sterowanie elementu ze zwykłych driverów bramki 0–12 V takich jakie są używane do elementów krzemowych. W tej konstrukcji hybrydowa struktura ogranicza wydajność komutacji przy wysokich częstotliwościach, z kolei "twarde" przełączanie może powodować problemy z EMI.
Wzbogacane GaN-y z bramką Schottky’ego p‑GaN (często nazywane po prostu e-mode GaN) zapewniają stan "normalnie wyłączony" bez diody podłożowej. Jej nieobecność w ścieżce sygnału mocy oznacza też brak problemu z koniecznością rekombinacji ładunku zgromadzonego w złączu i tym samym szybkie odzyskiwanie przez komponent stanu zaworowego. Podzespoły te charakteryzują się małą pojemnością wyjściową, co zmniejsza zapotrzebowanie na prąd ZVS w topologiach z miękkim przełączaniem, a także małym ładunkiem bramki i Millera, co zapewnia strome zbocza przełączanego sygnału. Tranzystory są dostępne w grupach nisko- i średnionapięciowych i dobrze nadają się zarówno do zastosowań z twardym, jak i miękkim przełączaniem, zapewniając duże możliwości integracji w ramach układu scalonego i pozwalają na użycie obudowy minimalizującej zakłócenia pasożytnicze i poprawiającej powtarzalność.
Tranzystory typu gate-injection (GIT) to również normalnie wyłączone tranzystory e-mode GaN, które wykorzystują bramkę p-GaN zapewniającą kontrolowany wtrysk ładunku do kanału bramki podczas włączania. Charakteryzują się one wyższym prądem znamionowym i dobrą odpornością na twarde przełączanie przy wyższych napięciach, a ich mechanizm przewodzenia może łagodzić dynamiczną zmianę rezystancji kanału w stanie włączenia obserwowaną we wcześniejszych generacjach podzespołów GaN. Tranzystory GIT także nie mają również problemu z odzyskiwaniem stanu zaporowego. W tym przypadku podczas przewodzenia płynie prąd bramki, co wymusza odpowiednią konstrukcję sterownika i wpływa na ogólną sprawność konwertera. W praktyce tranzystory typu GIT trafiają do aplikacji zasilanych wysokim napięciem, zapewniają wydajną pracę zarówno w stopniach mocy z miękkim, jak i twardym przełączaniem przy relatywnie wyższych częstotliwościach kluczowania.
Kaskodowy GaN może być dobrym wyborem, gdy priorytetem jest wykorzystanie istniejących sterowników bramki, tych opracowanych dla elementów krzemowych, a problemy związane z odzyskiwaniem właściwości zaporowych nie są bardzo ważne. GIT-y nadają się do aplikacji, w których liczy się wydajne twarde przełączanie przy wyższych napięciach.
Topologie konwersji AC/DC
Układ korekcji współczynnika mocy PFC typu totem-pole stał się jednym z najważniejszych osiągnięć w dziedzinie prostowania napięcia sieci. W przeciwieństwie do wcześniejszych rozwiązań przynosi on poprawę sprawności poprzez zastąpienie stratnego mostka diodowego przełącznikami tranzystorowymi.
Totem-pole PFC może działać w trybie przewodzenia ciągłego (CCM), gdzie prąd dławika filtra nigdy nie spada do zera w całym cyklu przełączania, co zapewnia niższe obciążenie prądowe elementów aktywnych, mniejsze straty przewodzenia i wyższą sprawność przy średnich i dużych obciążeniach w porównaniu z trybem przewodzenia nieciągłego (DCM) lub trybem przewodzenia krytycznego (CrCM). Z punktu widzenia zastosowań CCM jest niezbędny w systemach dużej mocy, gdzie sprawność, parametry termiczne i zgodność ze standardami definiującymi poziomy harmonicznych wprowadzanych do sieci są istotne.
Niemniej PFC totem-pole CCM z wykorzystaniem krzemowych MOSFET-ów komutujących przy wysokiej częstotliwości jest często niemożliwe z uwagi na długi czas odzyskiwania własności zaworowych diod podłożowych, co prowadzi do znacznych strat przełączania i wysokich zakłóceń elektromagnetycznych (EMI). Z uwagi na to, konieczne jest korzystanie z trybów DCM lub CrCM, niższych poziomów mocy i akceptacja, że układ będzie miał większe tętnienia napięcia na wyjściu PFC, a także będzie wymagał kosztowniejszych filtrów EMI. Chociaż układ totem-pole PFC w trybie CCM można zrealizować z użyciem tranzystorów SiC, GaN-y zazwyczaj zapewniają mniejsze straty przełączania i działają w szerszym zakresie częstotliwości przełączania.
Rysunek 4 przedstawia zestawienie strat mocy przy obciążeniu 50% dla PFC 2,5 kW wykorzystującego konwencjonalny układ boost z tranzystorami krzemowymi MOSFET Si, w porównaniu z układem PFC totem-pole z CoolGaN. Największy zysk pochodzi z eliminacji strat w diodowym mostku prostowniczym.
Z użyciem tranzystorów CoolGaN można osiągnąć sprawność rzędu 99%, nawet przy kilku kilowatach mocy wyjściowej, czyli przy minimalnych problemach termicznych, bez kłopotliwego odzyskiwania stanu zaporowego (czyli brak problemu przewodzenia skrośnego), które ograniczały układy krzemowe.
Modyfikacje tej topologii obejmują przeplatane układy CCM totem-pole, w których wiele przesuniętych względem siebie faz pozwala zmniejszyć tętnienia prądu wyjściowego i ograniczyć wielkość filtru EMI. Zyskują one na popularności w ładowarkach samochodowych i przemysłowych, gdzie wysoka sprawność i doskonała jakość zasilania są kluczowe.
Najnowsze rozwiązanie sterowania w totem-pole PFC to CrCM/transition mode, który wykorzystuje przełączanie przy zerowym napięciu (ZVS), aby zminimalizować straty przełączania, a jednocześnie umożliwia osiągnięcie wysokiej sprawności przy wyższej częstotliwości, co dodatkowo zmniejsza rozmiary elementów pasywnych i filtrów EMI.
Prostownik typu "Vienna"
Prostownik-korektor PFC w topologii "Vienna" to trójfazowy, trójstopniowy układ do zastosowań w systemach o średniej i dużej mocy. Jego zalety to możliwość uzyskania współczynnika mocy równego jedności i małych całkowitych zniekształceń harmonicznych (THD) przy jednoczesnym zachowaniu wysokiej sprawności. Trójstopniowa struktura zmniejsza obciążenie napięciowe poszczególnych przełączników i napięcie na dławikach.
Układ Vienna jest często spotykany w stacjach ładowania pojazdów elektrycznych, przemysłowych napędach silników, systemach energii odnawialnej i zasilaczach UPS, a także zyskuje coraz większą popularność w centrach danych AI.
Z użyciem tranzystorów krzemowych pojawiają się niestety problemy. W układzie jest wiele elementów półprzewodnikowych, a stany przejściowe podczas przełączania przy wyższych częstotliwościach prowadzą do znacznych strat mocy. Diody podłożowe obecne w MOSFET-ach tworzą dodatkowe problemy i ograniczają sprawność i limitują maksymalną częstotliwość pracy.
Dwukierunkowy tranzystor CoolGaN (bidirectional switch, BDS) likwiduje wiele tych wad. Szybkie przełączanie CoolGaN-ów umożliwia pracę z wyższą częstotliwością bez ograniczeń związanych z krzemem, w zakresie mocy od 7 do 25 kW ze sprawnością przekraczającą 99%! Pojedynczy element CoolGaN BDS może zastąpić 2 przełączniki Si/SiC typu back-to-back, co nie tylko zmniejsza liczbę komponentów, poprawia sprawność i zwiększa gęstość mocy, ale także redukuje złożoność, zajętość miejsca i koszty konstrukcji. Ponadto w konfiguracji wielofazowej można zrealizować skalowanie do wysokiej mocy.
Prostownik w układzie Vienna można dodatkowo ulepszyć, zastępując diody z rysunku 5 kluczami tranzystorowymi (jak w topologii T, pokazanej na rysunku 6, co nie tylko poprawia wydajność, ale także umożliwia dwukierunkową transmisję mocy.
Boost PFC
Przetwornica podwyższająca (boost, step-up) jest popularną topologią w korektorach PFC ze względu na możliwość zapewniania płynnego, ciągłego przebiegu prądu wejściowego, czyli duży współczynnik mocy, małe całkowite zniekształcenia harmoniczne (THD), przy dużej sprawności i prostocie układowej. Taki korektor jest w wielu urządzeniach elektroniki konsumenckiej, w sprzęcie AGD, komputerach PC itp.
Może on pracować w trzech trybach: z ciągłym przewodzeniem prądu w dławiku (CCM), nieciągłym (DCM) i krytycznym przewodzeniem (CrCM). Najkorzystniej działa tryb CCM, zwłaszcza dla dużej mocy wyjściowej. W trybie DCM prąd cewki indukcyjnej maleje do zera w każdym cyklu i pozostaje na tym poziomie przez część okresu przełączania, wymuszając znacznie wyższe prądy szczytowe i skuteczne (RMS) w kluczu, a tym samym zwiększając straty. Natomiast tryb CCM utrzymuje ciągły przepływ prądu w dławiku przy niższym prądzie skutecznym (RMS), jak i szczytowym, redukując straty i zapewniając łatwiejsze filtrowanie na wyjściu. Tryb CrCM pozwala na spadek prądu dokładnie do zera w każdym cyklu granicznym, zapewniając wyłączenie przy zerowym prądzie (praca quasi rezonansowa z przełączaniem w zerze prądu), co eliminuje problemy z rekombinacją ładunku diody. Dzięki temu zarówno tryb CCM, jak i CrCM nadają się do stopni PFC średniej i dużej mocy (rys. 7b).
Rozwiązania układowe PFC boost mają mniejszą sprawność z uwagi na mostek diodowy na wejściu. Wykonanie konwertera jako układu wielofazowego z przeplotem pozwala na redukcję tętnień prądu wejściowego, co z kolei zmniejsza wpływ na wejściowy filtr EMI. Pozwala to na realizację projektu o wysokiej sprawności, nawet w zastosowaniach dużej mocy. Dzięki tranzystorom CoolGaN, układ z CrCM może działać przy wyższych napięciach i mocach. Przykładowy konwerter jednofazowy 3 kW ma gęstość mocy 20 W/cal³ i sprawność do 98%, co czyni go wydajnym rozwiązaniem do konwersji energii. W wersji 3-fazowej moc wyjściowa sięga 7 kW! Układ PFC boost jest również łatwy w implementacji, gdyż można użyć jednego z wielu dostępnych kontrolerów PWM.
Konwerter rezonansowy LLC
Przetwornica rezonansowa LLC to popularna topologia stopnia mocy ze względu na wysoką sprawność, kompaktowość i izolację galwaniczną. Miękkie przełączanie ma wiele zalet, takich jak możliwość przełączania przy zerowym napięciu (ZVS) na wszystkich elementach pierwotnych w szerokim zakresie obciążenia. Oznacza to, że elementy przełączające po stronie pierwotnej, najczęściej MOSFET-y lub GaN HEMT, mogą się włączać i wyłączać przy mniejszym obciążeniu napięciowym i niższych stratach przełączania, co przekłada się na poprawę sprawności i niezawodność.
Konwerter LLC pracuje na częstotliwości rezonansowej lub w jej pobliżu i zapewnia łagodne warunki komutacji dla zarówno tranzystorów strony pierwotnej, jak i wtórnej. W czasie martwym prąd magnesujący rdzeń transformatora odgrywa kluczową rolę w ładowaniu i rozładowywaniu pojemności wyjściowej przełączników mocy, tak aby ich VDS zaraz po włączeniu idealnie spadło do zera. Jest to kluczowe dla osiągnięcia ZVS i minimalizacji strat przełączania. W krzemowych MOSFET-ach duże wartości Qoss i Coss wymagają wyższego prądu magnesującego i dłuższego czasu martwego, aby zagwarantować ZVS. Ponadto, gdy dioda podłożowa MOSFET-a przewodzi podczas komutacji, jej ładunek Qrr może przyczyniać się do dodatkowych strat i oscylacji w warunkach przełączania twardego.
Praktycznym sposobem na rozszerzenie ZVS i pracę z wyższą częstotliwością jest zmniejszenie energii, która musi być przenoszona w czasie martwym. W przypadku układów CoolGaN nie ma problemów z diodą podłożową, co przynosi "czystszą" komutację, krótsze czasy martwe i zapewnia pracę z wyższymi częstotliwościami przełączania z lepszą sprawnością.
Zastosowanie CoolGaN-ów po stronie wtórnej daje kolejne korzyści, w tym zmniejszenie strat związanych z Qg, niższą pojemność układu i lepszą regulację napięcia w stanie bez obciążenia. Zmniejszając zapotrzebowanie na energię magnesowania i umożliwiając wyższą indukcyjność magnesowania, układy GaN mogą przyczynić się do poprawy ogólnej sprawności i niezawodności przetwornicy LLC.
Dual active bridge (DAB)
Coraz więcej urządzeń zasilanych jest z akumulatorów i mają one coraz większe pojemności. Z uwagi na to dwukierunkowość konwersji stała się równie ważna, jak szybkie ładowanie. Wśród topologii dwukierunkowych wiodące rozwiązania to DAB i CLLC, które działają z szerokim zakresem napięcia wejściowego/wyjściowego i dużą sprawnością w systemach energii odnawialnej, pojazdach elektrycznych i centrach danych. Oprócz zdolność do konwersji energii w dwóch kierunkach zapewnia też izolację galwaniczną.
Konwerter DAB składa się z dwóch mostków połączonych za pomocą transformatora i szeregowe dławika kształtującego transmisję mocy. Dzięki modulacji przesunięcia fazowego konwerter DAB może osiągnąć wysoką sprawność i gęstość mocy. Jedną z jego głównych zalet jest możliwość łagodnego przełączania na wszystkich czterech gałęziach mostka w szerokim zakresie obciążeń, co zmniejsza straty komutacyjne.
Konwerter DAB różni się od LLC w kilku kluczowych aspektach. Po pierwsze, DAB to topologia nierezonansowa z indukcyjnością szeregową zamiast obwodu Lr–Cr w LLC. DAB pozwala na kilka stopni swobody sterowania – można regulować współczynnik wypełnienia strony pierwotnej (D1), współczynnik wypełnienia strony wtórnej (D2), przesunięcie fazowe między stroną pierwotną i wtórną (φ) oraz częstotliwość przełączania (fsw), co pozwala na optymalizację dla szerokich zakresów wejściowych i wyjściowych.
CoolGaN-y doskonale nadają się do konwerterów DAB. Mają mały ładunek Qoss i liniowy współczynnik mocy Coss i pomijalny czas regeneracji, które minimalizują straty podczas miękkiego przełączania przy wysokiej częstotliwości. Elementy te tolerują również sporadyczne twarde przełączanie w skrajnych zakresach. Umożliwia to budowę kompaktowych i wydajnych konstrukcji zasilaczy działających na wyższych częstotliwościach kluczowania.
Konwerter pełnomostkowy z przesunięciem fazowym
Topologia konwertera pełnomostkowego z przesunięciem fazowym (PSFB) z przełączaniem ZVS jest popularnym rozwiązaniem stopnia mocy w wysokowydajnych zasilaczach dużej mocy. Pozwala zminimalizować straty przełączania tranzystorów bez konieczności pracy w trybie pełnego rezonansu. Poza tym, w porównaniu z prostszymi topologiami izolowanymi, przetwornice pełnomostkowe charakteryzują się niższym obciążeniem napięciowym i prądowym kluczy, dlatego są powszechnie stosowane w aplikacjach o średniej lub dużej mocy oraz zasilanych wysokim napięciem.
Przekształtniki PSFB osiągają wysoką sprawność przy dużym obciążeniu dzięki przełączaniu ZVS po stronie pierwotnej bez obwodów pomocniczych. Do wad należy trudność w utrzymaniu ZVS przy małym obciążeniu, straty wynikające z krążenia prądu w obwodzie pierwotnym podczas rezonansu oraz to, że niepełny transfer energii może również prowadzić do pasożytniczych oscylacji i przepięć po stronie wtórnej. CoolGaN pozwalają znacząco zmniejszyć straty prądu krążącego i te powstające przy twardym przełączaniu kluczy, a więc dodatkowo poprawić sprawność przekształtników PSFB.
Co więcej, zastosowanie po stronie wtórnej prostownika z podwajaniem prądu (current-doubler rectifier, CDR), gdzie używa się dwóch dławików i dwóch prostowników zamiast prostego uzwojenia wtórnego z odczepem środkowym, pozwala na zmniejszenie o połowę wartości skutecznej prądu w przełączniku prostownika oraz zmniejszenie strat w miedzi, elementach magnetycznych i przewodzenia.
Przetwornica zaporowa
Przetwornica zaporowa (flyback) to najprostsza izolowana topologia konwertera AC-DC, szeroko stosowana w ładowarkach/ adapterach, oświetleniu i zasilaczach pomocniczych. Może obniżać lub podwyższać napięcie, a także dostarczać kilku separowanych napięć wyjściowych.
Przetwornica flyback z CoolGaN nie tylko ma lepszą sprawność, większą gęstość mocy, ale także umożliwia pracę z wyższą częstotliwością przełączania, co zmniejsza tętnienia wyjściowe i minimalizuje rozmiar transformatora. Aby jednak w pełni wykorzystać te możliwości transformator musi być zaprojektowany tak, aby zminimalizować indukcyjność rozproszenia, np. przez przeplatanie uzwojeń.
Rodzina podzespołów CoolGaN Infineona
Poza samymi tranzystorami mocy GaN, Infineon proponuje wiele dodatkowych elementów zapewniających kompleksowość oferty. Przykładem mogą być dwukierunkowe przełączniki CoolGaN BDS, które przełączają sygnał w czterech ćwiartkach, tj. realizują kontrolowane przewodzenie i blokowanie napięcia w obu polaryzacjach. Jest też gama tranzystorów z wbudowanymi sterownikami bramek oraz gotowe półmostki i mostki, które poza komutacją realizują pomiar prądu i mają obwody zabezpieczeń. Warto też wspomnieć o serii CoolGaN Smart Sense charakteryzującej się krótkim czasem reakcji pomiaru prądu, który może wynosić zaledwie 200 ns. Pozwala to na monitorowanie i sterowanie prądem w czasie rzeczywistym, zapewniając bardziej niezawodną i wydajną pracę.
Infineon
www.infineon.com
