Транзисторы на основе GaN для высокочастотных преобразователей постоянного тока в постоянный

Привет всем, добро пожаловать в новый пост сегодня.

Темы, затронутые в этой статье:

Ⅰ. Обзор характеристик GaN и Si

Ⅱ. GaN и SiC-устройства в IBC на 48 В

Ⅲ. Заключение

Развитие преобразователей энергии постоянно направлено на повышение эффективности, плотности, надежности и экономической эффективности, несмотря на растущие требования сложных технологий. Однако прогресс традиционных кремниевых (Si) силовых устройств достиг своего пика, когда они приближаются к стадии зрелости, что требует поиска преобразующего решения. Устройства на основе нитрида галлия (GaN) являются многообещающей альтернативой кремнию, которая меняет формат приложений преобразования энергии и открывает новые возможности.

Благодаря высокой подвижности электронов, запрещенной зоне и скорости GaN-устройства, такие как коммерчески доступные полевые транзисторы eGaN, превосходят традиционные МОП-транзисторы и превышают теоретические пределы с точки зрения сопротивления открытого состояния по отношению к напряжению пробоя. Эти устройства не только уменьшают активный размер устройства питания, но и обеспечивают значительный прирост производительности внутри схемы. GaN-устройства, от высокочастотных преобразователей в точке нагрузки до устройств коррекции коэффициента мощности, превосходно работают в приложениях с жестким переключением и даже демонстрируют улучшенные характеристики в сценариях резонансного и мягкого переключения.

Ⅰ. Обзор характеристик GaN и Si

На протяжении многих лет показатели качества (FOM) широко использовались как средство оценки и сравнения производительности устройств различных технологий. Предыдущие FOM, которые применялись для оценки приложений с жестким переключением, были специально ориентированы на те, которые подходят для сценариев с сильным током и низким напряжением (обычно ниже 200 В).

1. Устройства жесткого переключения

Во время процесса переключения в традиционных приложениях с жестким переключением на возникающие потери в первую очередь влияют два важных параметра устройства: QGD, также известный как заряд Миллера, и QGS2. Эти параметры играют решающую роль в контроле времени перехода напряжения и тока во время коммутационных событий. QGD, или заряд Миллера, особенно влияет на время перехода напряжения (tVR). Он определяет, насколько быстро напряжение на устройстве возрастает или падает в процессе переключения. Этот параметр напрямую влияет на потери переключения при переходе с жестким переключением.

С другой стороны, QGS2 представляет собой часть заряда затвор-исток, которая простирается от порогового напряжения устройства до напряжения плато затвора. Он отвечает за контроль времени нарастания и спада тока (tCF). В приложениях с низким напряжением и высоким током член QGS2 становится значимым с точки зрения вклада потерь.

Рис. 1. Наиболее подходящие сигналы жесткого переключения при переходе выключения устройства.

Устройства на основе нитрида галлия (GaN) с начальным режимом улучшения, которые стали коммерчески доступными, имеют латеральную структуру и работают в диапазоне напряжений 40–200 В. Эти устройства GaN функционируют аналогично традиционным кремниевым (Si) MOSFET-транзисторам, но обеспечивают улучшенное переключение и производительность упаковки.

Рис. 2. Сравнение показателей качества устройств 40 В.

На рисунке 2 представлено сравнение показателя качества переключения (FOM) специально для устройств на 40 В. В этом сравнении видно, что eGaN FET (полевой GaN-транзистор с улучшенным режимом) демонстрирует FOM на 45% меньший, чем самое современное Si-устройство, доступное в настоящее время.

2. Резонансные или плавно переключающиеся устройства.

В приложениях с резонансным и мягким переключением цель состоит в том, чтобы минимизировать потери, связанные с переключением, за счет реализации таких методов, как переключение при нулевом напряжении (ZVS) и переключение при нулевом токе (ZCS). Используя эти методы, потери, связанные с событиями переключения, значительно уменьшаются.

В традиционных приложениях с жестким переключением параметры устройства QGD и QGS2 играли решающую роль в определении производительности схемы, поскольку они в первую очередь влияли на потери. Однако в сценариях резонансного и мягкого переключения, где потери на переключение сведены к минимуму, эти параметры больше не являются ключевыми факторами, определяющими производительность устройства.

Резонансные приложения и приложения с мягким переключением охватывают широкий спектр методов, что делает непрактичным выделение единого показателя качества (FOM), который может эффективно отражать характеристики различных топологий схемы. Каждый метод имеет свои специфические характеристики и требования, поэтому простой показатель для оценки производительности невозможен.

я. Выходная плата (QOSS)

На характеристики резонансных преобразователей и преобразователей с мягким переключением существенное влияние оказывает выходной заряд. В приложениях, где используется переключение при нулевом напряжении (ZVS), выходной заряд не влияет напрямую на потери переключения. Однако он играет решающую роль в определении циркулирующей энергии, необходимой для достижения ZVS.

Различные факторы определяют время, необходимое для достижения ZVS, и его можно рассчитать по определенной формуле.

Уравнение 1

Время, необходимое для разрядки эффективного выходного заряда, обозначаемое tZVS, и ток, необходимый для достижения ZVS, обозначаемый как IZVS, являются важными факторами в резонансных преобразователях и преобразователях с мягким переключением. Предполагается, что текущий ИЗВС остается постоянным в течение всего процесса.

Эффективный выходной заряд, представленный QOSS, необходимо разрядить, прежде чем можно будет достичь ZVS. Время tZVS измеряет продолжительность, необходимую для завершения процесса разрядки.

ii. Плата за ворота (QG)

На частотные возможности резонансных топологий и топологий с мягким переключением влияет заряд затвора, обозначаемый QG. Заряд затвора здесь — это количество заряда, необходимое для полного включения или выключения транзистора в схеме. Рассеяние заряда затвора в каждом цикле переключения приводит к потере управления затвором. Эти потери количественно определяются с помощью специального уравнения, которое учитывает заряд затвора и другие соответствующие параметры.

уравнение

В приведенном выше уравнении VDR — это напряжение управления затвором, а fs — частота переключения.

Ⅱ. GaN и SiC-устройства в IBC на 48 В

Чтобы экспериментально подтвердить преимущества замены кремниевых (Si) МОП-транзисторов на транзисторы из нитрида галлия (GaN) с улучшенным режимом в высокочастотных резонансных преобразователях, проводится сравнение. В оценке участвуют нерегулируемые преобразователи с изолированной шиной от 48 В до 12 В, работающие на частоте коммутации 1,2 МГц и поддерживающие выходную мощность до 400 Вт. В этой установке сравниваются два разных набора силовых устройств, один из которых использует Si, а другой — GaN.

Топология преобразователя на рисунке 3 включает в себя метод мягкого переключения для достижения переключения при нулевом напряжении (ZVS) для основных устройств. Для достижения переключения при нулевом токе (ZCS) для вторичных устройств используется резонансный подход. Этот резонансный метод также служит цели ограничения тока выключения в первичных устройствах до тока намагничивания.

Рис. 3: Высокочастотный резонансный преобразователь промежуточной шины — схема и ее формы сигналов.

Переход от переключения при нулевом напряжении (ZVS) происходит в конце периода подачи мощности. От t1 до t2 ток намагничивания трансформатора заряжает и разряжает выходные емкости устройств Q2 и Q4, облегчая переход включения ZVS. Если переходный период ZVS продлен, внутренние диоды Q2 и Q4 могут включиться и проводить ток, как это наблюдается в период t2-t3. В момент времени t3 этот процесс повторяется для другой ветви переключения, при этом ток протекает через переключатели Q2, Q4 и S2, а также через индуктивность рассеяния LK2. Это позволяет подавать мощность на нагрузку, сохраняя при этом балансировку потоков в трансформаторе.

Ⅲ. Заключение

Был проведен эксперимент по оценке и сравнению технологий устройств высокочастотного преобразования энергии, в частности GaN-транзисторов и кремниевых МОП-транзисторов. Результаты эксперимента выявили явные преимущества GaN-транзисторов. Определив критические параметры устройства и сформулировав простые показатели качества (FOM), стало очевидно, что GaN-транзисторы превосходят кремниевые МОП-транзисторы как в приложениях с жестким переключением, так и в резонансных и мягких переключениях.