GaN-транзисторы от Transphorm в деле: высокоэффективный 3,5 кВт преобразователь с рабочей частотой до 100 кГц

| Transphorm

В конце 2015 года компания Transphorm начала производство второго поколения нитрид-галлиевых транзисторов с рабочим напряжением 650 В. Эти силовые ключи выполнены по каскодной схеме. Такая конфигурация позволяет сохранять высокие значения выходной мощности и минимизировать потери на восстановление обратного диода. Преимущества транзисторов от Transphorm были неоднократно доказаны на практике. В данной статье рассказывается о демонстрационном полумостовом преобразователе TDPS3500E0E10 мощностью 3,5 кВт и рабочей частотой до 100 кГц.

GaN-ключи от Transphorm доказали свою эффективность в реальных приложениях

Рис. 1. GaN-ключи от Transphorm доказали свою эффективность в реальных приложениях

Исторически главный недостаток нитрид-галлиевых транзисторов заключался в сложности создания нормально закрытых ключей. В начале 2000-х сразу несколько производителей смогли решить данную проблему, в том числе и компания Transphorm.

Инженеры Transphorm предложили использовать каскодную схему. При этом в одном корпусе располагается пара силовых ключей: кремниевый низковольтный и нитрид-галлиевый высоковольтный (рис. 2). Кремниевый MOSFET является нормально закрытым транзистором, а GaN-транзистор остается нормально открытым элементом. При этом, с точки зрения пользователя, схема работает как обычный N-канальный MOSFET.

Структура высоковольтных GaN-ключей от Transphorm

Рис. 2. Структура высоковольтных GaN-ключей от Transphorm

Если при приложении прямого напряжения (Uси>0) кремниевый MOSFET закрыт, то весь ключевой элемент оказывается закрытым и не пропускает ток. Если при этом напряжение Uси оказывается больше порогового напряжения GaN-транзистора (единицы вольт), то он закрывается. В итоге все напряжение прикладывается именно к GaN, а не к кремниевому ключу. Если же кремниевый MOSFET открывается, то вся структура в целом начинает пропускать ток. При этом потери проводимости включают потери на обоих транзисторах. Казалось бы, это должно сделать такую систему бесперспективной, однако ее сила проявляется при работе в импульсных схемах и в схемах с жесткими переключениями.

Так как встроенный MOSFET работает при малых напряжениях и малых уровнях насыщения, то после выключения время на рассасывание его неосновных носителей оказывается минимальным. При этом GaN-транзистор вообще свободен от эффекта накопления неосновных носителей и практически не требует времени на восстановление. Инженеры Transphorm провели сравнение классического CoolMOS MOSFET и своего GaN-транзистора (рис. 3). При нагрузке 9 А и 400 В амплитуда выброса тока при выключении у GaN оказалась меньше в три раза, а длительность обратного импульса сократилась с 160 нс до 20 нс.

Сравнение осциллограмм выключения CoolMOS и GaN-ключа от Transphorm

Рис. 3. Сравнение осциллограмм выключения CoolMOS и GaN-ключа от Transphorm

Первые образцы транзисторов Transphorm, выпущенные в 2009 году, имели рейтинг напряжений 600 В. В конце 2015 года было начато производство второго поколения транзисторов с повышенным рабочим напряжением 650 В. Сейчас номенклатура Transphorm включает полтора десятка GaN-транзисторов:

  • с рабочими напряжениями 600 и 650 В;
  • с максимальными сопротивлениями канала до: 350 мОм, 180 мОм, 130 мОм, 85 мОм, 63 м Ом и 41 мОм;
  • с различными корпусными исполнениями: TO-220 (Общий вывод сток), TO-220 (Общий вывод исток), TO-247 (Общий вывод исток), PQFN88 (Общий вывод сток), PQFN88 (Общий вывод исток).

Чтобы продемонстрировать преимущества своих транзисторов, специалисты Transphorm создали целый ряд образцовых импульсных преобразователей. Один из них – полумостовой преобразователь TDPS3500E0E10, который имеет мощность 3,5 кВт  и работает на частотах до 100 кГц (рис. 4). Он представляет собой законченный модуль на базе четырехслойной печатной платы. Благодаря наличию дополнительных перемычек TDPS3500E0E10 может быть легко преобразован к схеме понижающего или повышающего регулятора.

Внешний вид оценочной платы полумостового 3,5 кВт преобразователя TDPS3500E0E10 от Transphorm

Рис. 4. Внешний вид оценочной платы полумостового 3,5 кВт преобразователя TDPS3500E0E10 от Transphorm

Структурная схема TDPS3500E0E10 достаточно проста (рис. 5). Она включает полумост, построенный на базе 650 В транзисторов TPH3205WS (TPH3205WSB), гальванически изолированный драйвер SI8230BB-B-IS1, логику генератора управляющих импульсов, мощную индуктивность 330 мкГн, высоковольтные конденсаторы и силовые клеммы. Для работы используемых микросхем, логики и драйвера требуется внешний источник питания 10…18 В.

Структура 3,5 кВт преобразователя TDPS3500E0E10

Рис. 5. Структура 3,5 кВт преобразователя TDPS3500E0E10

Основой схемы является полумост из двух транзисторов TPH3205WS (TPH3205WSB) от Transphorm (рис. 6). TPH3205WSB – 650 В транзисторы с импульсным током до 150 А и сопротивлением в открытом состоянии 63 мОм. Данный ключ отличается малыми потерями при выключениях: заряд восстановления диода составляет 136 нКл.

 Внешний вид и структура GaN-транзистора TPH3205WSB от Transphorm

Рис. 6. Внешний вид и структура GaN-транзистора TPH3205WSB от Transphorm

Пороговое напряжение для транзисторов TPH3205WSB составляет 2,1 В. Для управления их затворами применяется микросхема SI8230BB-B-IS1 от SiliconLabs. В ее состав входит пара независимых гальванически развязанных драйверов нижнего и верхнего плеча, логика и схема контроля мертвого времени (рис. 7).

Структура используемого изолированного драйвера SI8230BB-B-IS1 от SiliconLabs

Рис. 7. Структура используемого изолированного драйвера SI8230BB-B-IS1 от SiliconLabs

Благодаря наличию силовых клемм J2, J3, J5 и J7 схема TDPS3500E0E10 может быть приведена к топологии повышающего или понижающего регулятора. Например, если к клеммам J2 и J3 подключить высоковольтную силовую шину постоянного напряжения до 400 В, а к клеммам J5 и J7 подсоединить нагрузку, то получится полноценный понижающий регулятор (рис. 8).

Схема понижающего преобразователя на базе TDPS3500E0E10

Рис. 8. Схема понижающего преобразователя на базе TDPS3500E0E10

Для получения повышающей схемы необходимо использовать обратное подключение (рис. 9). К клеммам J5 и J7 подключается шина питания, а к J2 и J3 нагрузка.

Схема повышающего преобразователя на базе TDPS3500E0E10

Рис. 9. Схема повышающего преобразователя на базе TDPS3500E0E10

Так как плата преобразователя содержит полноценный транзисторный полумост, то возможно создание как синхронных, так и асинхронных регуляторов. Тип регулятора зависит от подключения внешних источников тактовых импульсов и состояния перемычек JP1 и JP2. Благодаря перемычкам и собственному встроенному генератору, синхронное приложение можно создать, имея всего один входной тактовый сигнал логического диапазона (рис. 10). Нужно иметь в виду, что при подключении внешних генераторов напрямую к драйверу следует использовать логические сигналы 3 В. При работе со встроенным генератором импульсов входные сигналы должны иметь диапазон 5 В.

Использование одного внешнего генератора для управления синхронным преобразователем

Рис. 10. Использование одного внешнего генератора для управления синхронным преобразователем

При проведении испытаний преобразователь TDPS3500E0E10 продемонстрировал достаточно высокие показатели. В схеме повышающего регулятора при Uвх = 200 В, Uвых = 400 В, частоте 50 кГц и 100 кГц величина КПД превышала 98 % в диапазоне мощностей 500…3500 Вт. В диапазоне 1250…2900 Вт КПД и вовсе не опускался ниже 98,8%.

Результаты испытаний Uвх = 200 В, Uвых = 400 В, при частотах 50 кГц и 100 кГц

Рис. 11. Результаты испытаний Uвх = 200 В, Uвых = 400 В, при частотах 50 кГц и 100 кГц

3,5 кВт регулятор TDPS3500E0E10 - не единственный демонстрационный преобразователь от Transphorm. К услугам разработчиков предлагаются более десяти образцовых импульсных устройств:

  • TDPS2400E2C1-KIT– корректор коэффициента мощности 2,4 кВт 100 кГц, выполненный по бездиодной схеме (totem-pole PFC) на базе транзисторов TPH3205WS;
  • TDPS2800E2C1-KIT– корректор коэффициента мощности 2,8 кВт 100 кГц, выполненный по бездиодной схеме (totem-pole PFC) на базе транзисторов TPH3205WS;
  • TDTTP4000W066-KIT – корректор коэффициента мощности 4 кВт 66 кГц, выполненный по бездиодной схеме (totem-pole PFC) на базе транзисторов TPH3207WS;
  • TDPS500E2A2-KIT– корректор коэффициента мощности 1 кВт 133 кГц, выполненный на базе транзисторов TPH3206PS;
  • TDPS251E0D2-KIT– резонансный DC/DC-преобразователь 250 Вт 200 кГц, выполненный на базе транзисторов TPH3202PS;
  • TDPS501E0A-KIT– дополнительная плата для приложений до 1000 Вт 100 кГц с установленным ключом TPH3202PS, драйвером и другими силовыми компонентами;
  • TDPS250E2D2-KIT– стандартный источник питания для ПК 250 Вт 250 кГц, выполненный на базе транзисторов TPH3202PS;
  • TDPS1000E0E10-KIT– полумостовой инвертор для различных 1 кВт приложений, выполненный на базе транзисторов TPH3206PS;
  • TDPS3500E0E10-KIT– полумостовой инвертор для различных 3,5 кВт приложений, выполненный на базе транзисторов TPH3205WS;
  • TDMC2000E0I-KIT – трехфазный мост для управления электродвигателями 2 кВт, выполненный на базе силового модуля TPD3215M;
  • TDPV1000E0C1-KIT – однофазный инвертор для различных 1 кВт приложений, выполненный на базе транзисторов TPH3206PS;
  • TDPV3000E0C1-KIT – однофазный инвертор для различных 3 кВт приложений, выполненный на базе транзисторов TPH3205WS;
  • TDINV4500W050-KIT – однофазный инвертор для различных 4,5 кВт приложений, выполненный на базе транзисторов TPH3207WS.

Характеристики транзистора TPH3205WSB:

  • рабочее напряжение: 650 В;
  • сопротивление в открытом состоянии (максимальное): 63 мОм;
  • прямой постоянный ток (25 ºС): 34,7 А;
  • импульсный ток: 150 А;
  • пороговое напряжение: 2,1 В;
  • допустимый диапазон напряжений затвор-исток: ±18 В;
  • заряд восстановления диода: 136 нКл;
  • диапазон рабочих температур: -55…150 °C;
  • корпусное исполнение: TO-247 3L.

О компании:

Transphorm – производитель высоковольтных нитрид-галлиевых транзисторов и модулей для мощных источников питания. Компания была основана в 2007 году, а уже в 2009 году была создана первая модель 600-вольтного GaN-транзистора. В 2015 году было начато производство второго поколения силовых транзисторов.

Производитель: Transphorm
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
TPH3205WSB
TPH3205WSB
Transphorm
Арт.: 2263119 ИНФО PDF
Доступно: 163 шт. от: 1770 руб.
Каскодный нитрид-галлиевый полевой транзистор TPH3205WSB.
TPH3205WSB 1770,00 от 2 шт. 1520,00 от 5 шт. 1390,00
31 шт.
(на складе)
132 шт.
(под заказ)