Исследуем eGaN на электромагнитные помехи

В последнее время все большее распространение получают полупроводниковые изделия на основе нитрида галлия GaN, отличающиеся от кремниевых изделий большими скоростями переключения и эффективностью. Активное участие в продвижении GaN-технологий принимает компания EPC, разработавшая и реализовавшая на практике технологию еGaN (enhanced GaN), улучшающую и без того хорошие характеристики силовых GaN-транзисторов.

Любой полупроводниковый прибор, переключающийся со скоростями порядка пикосекунд, генерирует электромагнитные помехи. GaN и еGaN-транзисторы, работающие на более высоких, по сравнению с традиционными MOSFET, скоростях – не исключение. Независимый консультант и специалист по электромагнитной совместимости Кеннет Уайят (Kenneth Wyath) задался целью исследовать новые транзисторы на предмет электромагнитных помех. 

Для исследования была выбрана плата полумостового понижающего DC-DC преобразователя EPC9101 (рис.1, 2).

Плата EPC9101

Рис.1. Плата EPC9101

Блок-схема преобразователя EPC9101. Сигнал снимался с левого вывода L1

Рис.2. Блок-схема преобразователя EPC9101. Сигнал снимался с левого вывода L1

Диапазон входных напряжений этой платы – от 8 до 19 В, выходное напряжение – 1,2 В с током до 20 А. Кеннет подавал на вход платы 10 В, выход преобразователя нагружался двухваттным резистором сопротивлением 10 Ом. Для измерения длительности фронта импульсов использовался осциллограф Rohde & Schwarz RTE1104 и 1,5-ГГц пробник RT-ZS20 (рис. 3). Лучший результат, который удалось получить с его помощью, – время нарастания импульса 1,5 нс. Недостаточно широкая полоса используемого осциллографа не позволила получить более точные значения – для измерения величин порядка сотен пикосекунд требуется полоса шириной не менее 30 ГГц.

Измерение фронта сигнала осциллографом Rohde & Schwarz RTE1104

Рис.3. Измерение фронта сигнала осциллографом Rohde & Schwarz RTE1104

Не имея возможности точно померить длительность фронта, Кеннет решил проанализировать переходные процессы на частоте 217 МГц (рис. 4).

Кабели щупа и заземления были небольшой длины и не могли вносить существенный вклад в анализируемые переходные процессы. Следовательно, полученная картина была результатом паразитных резонансов в цепи преобразователя. При определённых условиях эти резонансы могут стать серьёзной проблемой электромагнитной совместимости.

Переходный процесс с частотой 217 МГц.

Рис. 4. Переходный процесс с частотой 217 МГц.

Кеннет измерил кондуктивные помехи во входной сети питания и на нагрузочном резисторе преобразователя (рис. 5)

Измерение кондуктивных высокочастотных помех с помощью токового зонда Fischer F-33-1

Рис. 5. Измерение кондуктивных высокочастотных помех с помощью токового зонда Fischer F-33-1.

Были обнаружены мощные мегагерцовые гармоники в диапазонах от 9 кГц до 30 МГц, а также 9-мегагерцовые гармоники, хорошо заметные в нагрузочном резисторе. Их происхождение установить не удалось, тем не менее общий уровень помех был неприемлемо высок для обеспечения электромагнитной совместимости.

Высокочастотные токи в кабеле питания (фиолетовый график) и 10-омном нагрузочном резисторе (голубой график).

Рис. 6. Высокочастотные токи в кабеле питания (фиолетовый график) и 10-омном нагрузочном резисторе (голубой график). Заметны мегагерцовые пики, накладывающиеся на 9-МГц гармоники. Здесь и далее жёлтый график показывает спектр фоновых помех.

Расширив полосу прибора до 1 ГГц, Кеннет увидел, что затухание гармоник началось с частоты около 600 МГц (рис.7).

Широкополосная картина гармоник излучения

Рис.7. Широкополосная картина гармоник излучения

В заключение Кеннет измерил уровень излучения вблизи силового ключа и высокочастотные токи, протекающие через нагрузочный резистор, с помощью датчика магнитного поля Rhode & Schwarz RS H 400-1 (рис.8, 9). Были обнаружены резонансные пики на частотах 220и 460 мГц с уровнем почти 40 дБмкВ – критическое значение для ЭМИ.

Измерение излучения в окрестностях силового ключа

Рис.8. Измерение излучения в окрестностях силового ключа

Спектрограммы излучения в окрестностях силового ключа (фиолетовый график) и тока через нагрузочный резистор (голубой график)

Рис.9. Спектрограммы излучения в окрестностях силового ключа (фиолетовый график) и тока через нагрузочный резистор (голубой график).

Результаты исследования показали, что с точки зрения электромагнитной совместимости новые высокочастотные GaN-устройства отличаются от традиционных кремниевых MOSFET. Благодаря меньшей по сравнению с кремниевыми устройствами ёмкости затвора, общая энергия шума GaN-ключей ниже. Высокочастотные резонансы переходных процессов, обусловленные индуктивностью выводов, могут быть значительно снижены применением интегрированных транзисторных сборок, таких, как, например, EPC9059 (рис.10).

Рис.10. Сравнение переходных процессов в цепях с кремниевыми FET, eGaN-устройством и интегрированной сборкой EPC9059

Производитель: Efficient Power Conversion (EPC) Corporation
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
EPC9041
EPC9041
Efficient Power Conversion (EPC) Corporation
Арт.: 1905245 ИНФО PDF
Поиск
предложений
Макетная плата на основе ассимметричной 80-ти вольтной eGaN сборки транзисторов EPC2105 с максимальным током до 20 А для высокочастотных понижающих DC/DC преобразователей с большим коэффициентом понижения напряжения.
EPC9041
-
Поиск
предложений
EPC9039
EPC9039
Efficient Power Conversion (EPC) Corporation
Арт.: 1905246 ИНФО PDF
Поиск
предложений
Макетная плата на основе симметричной 80-ти вольтной eGaN сборки транзисторов eGaN EPC2103 с максимальным током до 17 А.
EPC9039
-
Поиск
предложений
EPC9201
EPC9201
Efficient Power Conversion (EPC) Corporation
Арт.: 1920909 ИНФО PDF AN
Поиск
предложений
EPC9201 – отладочная плата полумостового преобразователя (30 В, 40 А) "Plug and Play" предназначена для быстрой и простой оценки эффективности мощных нитрид галлиевых силовых транзисторов, их оптимальной компоновки вместе с другими компонентами
EPC9201
-
Поиск
предложений

Сравнение позиций

  • ()