Использование ферритовых фильтров и помехоподавляющих RC-цепочек при параллельном включении GaN-транзисторов в мощных преобразователях

| Transphorm

Введение

Обеспечение стабильной работы параллельно включенных нитрид-галлиевых транзисторов (GaN FET) в мощных мостовых преобразователях с жесткими переключениями представляет собой достаточно сложную задачу, особенно если речь идет о выводных корпусных исполнениях. Из-за высокой скорости переключения dv/ dt, di/ dt, больших динамических токов и значительной коммутируемой мощности дисбаланс между параллельно включенными GaN-транзисторами оказывается потенциально больше, чем в случае с кремниевыми (Si) МОП-транзисторами. В данной статье предлагается решение проблемы параллельного включения GaN-транзисторов в мостовых преобразователях с использованием ферритовых фильтров и/ или RC-демпферов. Также в статье обсуждаются особенности драйверов для GaN-транзисторов.

Решение 1. Простое параллельное включение транзисторов TO-220 / TO-247

В статье «Paralleling GaN HEMTs for Diode-free Bridge Power Converters» была предложена схема с прямым параллельным включением GaN-транзисторов. В ней для выравнивания токов и для  предотвращения колебаний использовались симметричная топология печатной платы, отрицательное запирающее напряжение затвора и помехоподавляющие RC-цепочки. На рис. 1 показана базовая полумостовая схема с использованием одного драйвера полумоста.

Полумостовая схема с парой параллельных GaN-транзисторов с корпусами TO-220

Рис. 1. Полумостовая схема с парой параллельных GaN-транзисторов с корпусами TO-220

Параллельное включение GaN-транзисторов с корпусом TO-220

На рис. 2 представлена печатная плата полумостовой схемы с двумя параллельными транзисторами. Для того чтобы сделать цепи затворов максимально симметричными, транзисторы были расположены в ряд. Можно заметить, что длина цепей затворов и площадь ключевого узла увеличились по сравнению с вариантом, когда ключи располагались «спина к спине». Такое расположение является удачным с точки зрения эффективного теплоотвода, так как транзисторы оказываются разнесенными по радиатору и не делят общую область для теплоотвода. С другой стороны, из-за увеличения паразитной индуктивности (по сравнению с обычной схемой с одним транзистором в каждом плече), необходимо использовать запирающее напряжение Vgs с отрицательным смещением 10/ -4 В, чтобы избежать ложного включения при бросках напряжения. Область печатной платы, на которой расположены коммутирующие элементы, не должна перекрываться со слоями земли GND или слоями высокого напряжения, поскольку образующаяся при этом паразитная емкость приводит к дополнительным потерям мощности, а также к возникновению колебаний. Для уменьшения бросков напряжения и повышения надежности может быть использована опциональная маломощная помехоподавляющая RC-цепочка.

Из-за высокой скорости нарастания сигнала dv/dt помехи от коммутационного узла могут передаваться на низковольтную часть схемы через изолированный источник питания верхнего плеча. Чтобы этого избежать, был выбран низкоемкостной источник (<3 пФ) и синфазный фильтр, которые способны эффективно погасить синфазный ток. Синфазный фильтр в цепи источника питания необходим для фильтрации токовых помех по цепи питания. Вторым способом устранения влияния помех dv/dt будет использование неизолированной бутстрепной схемы для формирования отрицательного напряжения смещения. Для проверки работоспособности предложенного преобразователя были проведены коммутационные испытания с жестким режимом переключений. На рис. 3 видно, что транзисторы как верхнего, так и нижнего плеча безопасно и многократно переключаются при нагрузке 50 A без замедления скорости переключения (Rg = 0).

Топология печатной платы с двумя параллельными TPH3206PS 

Рис. 2. Топология печатной платы с двумя параллельными TPH3206PS

 Тестирование схемы с параллельными GaN-транзисторами TO-220

Рис. 3. Тестирование схемы с параллельными GaN-транзисторами TO-220:
(a) осциллограммы переключений транзисторов верхнего плеча с током до 51,6 А,
(b) осциллограммы переключений транзисторов нижнего плеча с током до 52 А

 

Параллельное включение GaN-транзисторов с корпусом TO-247

Корпус TO-247 более массивный и позволяет добиваться большей мощности. Поэтому при параллельном включении транзисторов с корпусами TO-247 рекомендуется использовать отдельные платы для питания и управления. На рис. 4 показана топология печатной платы драйвера, а на рис. 5 показана сборка из пары плат полумостовых преобразователей с двумя параллельными транзисторами TO-247. Таким образом, петли питания обоих ключей оказываются симметричными, компактными и отделенными от схемы драйвера.

 Печатная плата драйвера полумостовой схемы на параллельных транзисторахTO-247

Рис. 4. Печатная плата драйвера полумостовой схемы на параллельных транзисторахTO-247:  (a) верхняя сторона, (b) нижняя сторона

Независимо от того, какое из корпусных исполнений используется, TO-247 или TO-220, рекомендуемое напряжение управления затвором составляет +10 В/ -4 В Vg. Разница в том, что при параллельном включении транзисторов TO-247 необходима помехоподавляющая RC-цепочка (для каждого ключа применяется демпфер 47 пФ + 10 Ом). На рис. 6 показаны осциллограммы испытаний на устойчивость при жестких переключениях с токовой нагрузкой более 80 А.

 Полумост на двух параллельных транзисторах TO-247

Рис. 5. Полумост на двух параллельных транзисторах TO-247

 Жесткие переключения с токовой нагрузкой >80 А

Рис. 6. Жесткие переключения с токовой нагрузкой >80 А: (a) осциллограммы переключений транзисторов верхнего плеча с током до 86,8 А, (b) осциллограммы переключений транзисторов нижнего плеча с током до 93,6 А

Решение 2: параллельное включение транзисторов TO-247 с использованием ферритового фильтра

В предыдущем разделе мы оптимизировали топологию печатных плат, чтобы гарантировать стабильную работу схемы при параллельном включении транзисторов, однако высокочастотные помехи, вызванные паразитной индуктивностью и выходной емкостью, по-прежнему присутствовали на плате. Эти паразитные элементы способны приводить не только к спонтанным переключениям между нижними и верхними плечами, но и к рассогласованным переключениям двух параллельных транзисторов, что приведет к выходу устройства из строя. Из  руководства по применению AN0009 «Recommended External Circuitry for Transphorm GaN FETs» известно, что частота «звона» (паразитных колебаний) для полевых GaN-транзисторов от Transphorm составляет около 50 ~ 200 МГц, и добавление ферритовых фильтров (бусинок) в цепь стока позволяет подавить помехи и значительно улучшить стабильность работы полумостовой схемы. В этом и заключается альтернативное решение по обеспечению стабильности при параллельном включении GaN-транзисторов.

Параллельное включение транзисторов TO-247 с использованием выводных ферритовых фильтров

На рис. 7 показана полумостовая схема с параллельными GaN-транзисторами с дополнительными ферритовыми фильтрами в цепях стока. Ферритовые фильтры увеличивают импеданс между двумя параллельными ключами и предотвращают их от осцилляций.

Так как «звон» устраняется, то ключи на плате допустимо располагать в ряд, хотя паразитная индуктивность при этом окажется выше, чем в случае, когда транзисторы расположены «спина к спине». На рис. 8 ключи на печатной плате расположены «спина к спине».

По сравнению с решением без ферритовых фильтров разводка печатной платы оказывается простой и не требует разделения на отдельные платы для силового каскада и драйвера. Однако симметричность схемы по-прежнему является очень важным фактором для получения успешного результата.

Полумостовая схема с парой параллельных GaN-транзисторов с ферритовыми бусинками в цепях стока 

Рис. 7. Полумостовая схема с парой параллельных GaN-транзисторов с ферритовыми бусинками в цепях стока

Параллельное включение пары GaN-транзисторов с ферритовыми бусинками в цепях стока

 

Рис. 8. Параллельное включение пары GaN-транзисторов с ферритовыми бусинками в цепях стока: (a) принципиальная схема, (b) разводка печатной платы, (c) внешний вид печатной платы, (d) установленный радиатор

Коммутационные испытания были проведены для транзисторов верхнего и нижнего плеча, при различных напряжениях шины питания. На рис. 9 и 10 показаны осциллограммы переключений транзисторов нижнего и верхнего плеча при напряжениях 200-400 В. Можно заметить, что высокочастотные колебания были подавлены. Если используется ферритовый фильтр, то от помехоподавляющей RC-цепочки можно отказаться, что позволит снизить потери при переключениях. На рис. 11 показаны осциллограммы переключений при нагрузочном токе 50 А без RC-цепочки, при этом импульсы напряжения оказываются не намного выше, чем при использовании RC-цепочки.

 Осциллограммы переключений транзисторов нижнего плеча: красная  = iL, желтая = ds

 

Рис. 9. Осциллограммы переключений транзисторов нижнего плеча: красная  = iL, желтая = Vds

Осциллограммы переключений транзисторов верхнего плеча: красная  = iL, желтая = Vds

Рис. 10. Осциллограммы переключений транзисторов верхнего плеча: красная  = iL, желтая = Vds

Осциллограммы переключений транзисторов без RC-цепочки при нагрузке 50 А

Рис. 11. Осциллограммы переключений транзисторов без RC-цепочки при нагрузке 50 А:
(a) для транзисторов нижнего плеча с током до 53,4 А,
(b) для транзисторов верхнего плеча с током до 52,6 А

Параллельное включение транзисторов TO-247 с использованием ферритовых фильтров поверхностного монтажа (SMD)

Можно доказать, что сильноточные ферритовые SMD-фильтры так же эффективны при устранении  «звона», как и помехоподавляющие RC-цепочки. На рис. 12 показана принципиальная схема, разводка и внешний вид собранной печатной платы с параллельными транзисторами TO-247 и ферритовыми SMD-фильтрами. Топология печатной платы очень похожа на топологию платы из предыдущего случая с фильтрами для монтажа в отверстия. Следует заметить, что ферритовый SMD-фильтр должен располагаться вблизи стока, а проводящий рисунок должен быть симметричным.

Для проверки стабильной работы схемы были проведены коммутационные испытания. На рис. 13 показаны осциллограммы переключений транзисторов верхнего и нижнего плеча при нагрузке более 100 А с использованием двух ферритовых SMD-фильтров 30 Ом/ 100 МГц. Можно отметить, что небольшие колебания по-прежнему возникали при включении транзисторов верхнего плеча. После добавления RC-демпферов, эти осцилляции исчезли (рис. 14). При испытаниях напряжение шины Vds составляло 400 В, а Vgs 12 В.

Параллельное включение пары GaN-транзисторов с ферритовыми SMD-фильтрами

Рис. 12. Параллельное включение пары GaN-транзисторов с ферритовыми SMD-фильтрами: (a) принципиальная схема, (b) разводка печатной платы, (c) внешний вид печатной платы

Осциллограммы переключений транзисторов с ферритовыми SMD-фильтрами

Рис. 13. Осциллограммы переключений транзисторов с ферритовыми SMD-фильтрами: (a) для транзисторов верхнего плеча, (b) для транзисторов нижнего плеча

Осциллограммы переключений транзисторов с ферритовыми SMD-фильтрами и дополнительными помехоподавляющими RC-цепочками

Рис. 14. Осциллограммы переключений транзисторов с ферритовыми SMD-фильтрами и дополнительными помехоподавляющими RC-цепочками: (a) для транзисторов верхнего плеча (b) для транзисторов нижнего плеча

Измерение КПД схемы производилось при работе полумоста в режиме повышающего синхронного преобразователя. Входное напряжение составляло 200 В, выходное напряжение 400 В, частота переключений 100 кГц, дроссель 276 мкГн с сердечником KoolMμ®. На рис. 15 показаны графики зависимости КПД при использовании RC-демпфера (47 пФ + 10 Ом) и без RC-демпфера. Пиковое значение КПД составило около 98,8% при мощности 2,5 кВт ~ 3 кВт. Следует отметить, что мощность преобразователя была ограничена размерами радиатора и потенциально могла превышать 5,5 кВт, при температуре корпуса около 100 °C.

КПД повышающего полумостового синхронного преобразователя, использующего параллельное включение пары транзисторов TPH3205WSB

Рис. 15. КПД повышающего полумостового синхронного преобразователя, использующего параллельное включение пары транзисторов TPH3205WSB

Заключение

В данной статье представлены рекомендации по проектированию схем с параллельным включением GaN-транзисторов, также был предложен реальный рабочий пример такой схемы. Были обсуждены особенности драйверов и топологий печатных плат при использовании полевых GaN-транзисторов с выводными корпусными исполнениями. Был разработан полумостовой синхронный преобразователь на базе двух параллельных транзисторов TPH3205WSB. Рассмотрена его работа как при наличии ферритовых фильтров и помехоподавляющих RC-цепочек, так и без них. Транзисторы верхнего и нижнего плеча прошли коммутационные испытания с нагрузкой 100 А в условиях жестких переключений. Испытания синхронного преобразователя 200 В/ 400 В показали, что выходная мощность может быть увеличена до 5,5 кВт и даже выше, а эффективности достигает 98,8% при частоте переключения 100 кГц.

Характеристики GaN-транзистора TPH3206PS:

  • Рабочее напряжение: 600 В;
  • Сопротивление в открытом состоянии: 180 мОм;
  • Прямой постоянный ток (25º С): 17 А;
  • Импульсный ток: 60 А;
  • Обратный ток: 12 А;
  • Напряжение затвор-исток: ±18 В;
  • Входная емкость: 760 пФ;
  • Заряд восстановления диода: 54 нКл;
  • Диапазон рабочих температур: -55…150°C;
  • Корпусное исполнение: TO-220.

Характеристики GaN-транзистора TPH3205WSB:

  • Рабочее напряжение: 650 В;
  • Сопротивление в открытом состоянии: 60 мОм;
  • Прямой постоянный ток (25ºС): 35,2 А;
  • Импульсный ток: 150 А;
  • Обратный ток: 22 А (коэффициент заполнения 50%);
  • Напряжение затвор-исток: ±18 В;
  • Входная емкость: 2200 пФ;
  • Заряд восстановления диода: 136 нКл;
  • Диапазон рабочих температур: -55…150 °C;
  • Корпусное исполнение: TO-247 3L.
Производитель: Transphorm
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
TPH3205WS
TPH3205WS
Transphorm
Арт.: 2108137 ИНФО PDF OBS
Поиск
предложений
GaN-транзисторы с рабочим напряжением 600 В в корпусе TO-247 c типовым значением сопротивления канала 52 мОм. Заряд восстановления диода: 127 нКл.
TPH3205WS 1500,00 от 3 шт. 1280,00 от 5 шт. 1180,00
-
Поиск
предложений
TPH3206PD
TPH3206PD
Transphorm
Арт.: 2263104 ИНФО PDF
Доступно: 93 шт.
Выбрать
условия
поставки
N-Channel 600V 17A (Tc) 96W (Tc) Through Hole TO-220
TPH3206PD 1490,24
93 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
TPH3206PS
TPH3206PS
Transphorm
Арт.: 2263105 ИНФО PDF
Доступно: 275 шт.
Выбрать
условия
поставки
N-Channel 600V 17A (Tc) 96W (Tc) Through Hole TO-220
TPH3206PS 1260,97
275 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
TPH3206LD
TPH3206LD
Transphorm
Арт.: 2263111 PDF
Поиск
предложений
N-Channel 600V 17A (Tc) 96W (Tc) Surface Mount PQFN (8x8)
TPH3206LD 1408,03
-
Поиск
предложений
TPH3206LS
TPH3206LS
Transphorm
Арт.: 2263112 PDF
Доступно: 165 шт.
Выбрать
условия
поставки
N-Channel 600V 17A (Tc) 96W (Tc) Surface Mount PQFN (8x8)
TPH3206LS 1408,03
165 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
TPH3206LDG
TPH3206LDG
Transphorm
Арт.: 2263113 PDF
Поиск
предложений
N-Channel 650V 16A (Tc) 81W (Tc) Surface Mount PQFN (8x8)
TPH3206LDG 1401,08
-
Поиск
предложений
TPH3205WSB
TPH3205WSB
Transphorm
Арт.: 2263119 ИНФО PDF
Доступно: 254 шт. от: 1690 руб.
Каскодный нитрид-галлиевый полевой транзистор TPH3205WSB.
TPH3205WSB 1690,00 от 2 шт. 1450,00 от 5 шт. 1330,00
25 шт.
(на складе)
229 шт.
(под заказ)
TPH3206LDB
TPH3206LDB
Transphorm
Арт.: 2514269 PDF
Поиск
предложений
N-Channel 650V 16A (Tc) 81W (Tc) Surface Mount PQFN (8x8)
TPH3206LDB 1401,08
-
Поиск
предложений
TPH3206LDGB
TPH3206LDGB
Transphorm
Арт.: 2514270 PDF
Поиск
предложений
N-Channel 650V 16A (Tc) 81W (Tc) Surface Mount PQFN (8x8)
TPH3206LDGB 1401,08
-
Поиск
предложений
TPH3206LSB
TPH3206LSB
Transphorm
Арт.: 2514277 PDF
Поиск
предложений
N-Channel 650V 16A (Tc) 81W (Tc) Surface Mount PQFN (8x8)
TPH3206LSB 1401,08
-
Поиск
предложений
TPH3205WSBQA
TPH3205WSBQA
Transphorm
Арт.: 2514829 PDF
Поиск
предложений
N-Channel 650V 35A (Tc) 125W (Tc) Through Hole TO-247
TPH3205WSBQA 2931,85
-
Поиск
предложений
TPH3206PSB
TPH3206PSB
Transphorm
Арт.: 2514960 PDF
Поиск
предложений
N-Channel 650V 16A (Tc) 81W (Tc) Through Hole TO-220AB
TPH3206PSB 1260,97
-
Поиск
предложений