SiC

Основные преимущества использования GaN-транзисторов в источниках питания

Использование нитрид-галлиевых полевых транзисторов, например, в обратноходовых преобразователях, позволяет добиваться значительного повышения эффективности источников питания. В данной статье раскрывается, за счет чего это происходит
2337
В избранное

Использование нитрид-галлиевых полевых транзисторов, например, в обратноходовых преобразователях, позволяет добиваться значительного повышения эффективности источников питания. В данной статье раскрывается, за счет чего это происходит. 

Ни для кого не секрет, что эффективность современных импульсных источников питания практически всегда превышает 90%. Дальнейшее, даже незначительно увеличение КПД, становится все более сложной задачей.

Внедрение новых силовых компонентов, изготовленных из полупроводниковых материалов с широкой запрещенной зоной, таких как нитрид галлия (GaN) и карбид кремния (SiC), дает разработчикам некоторые важные преимущества (рис. 1).

Переход от кремниевых силовых ключей к силовым GaN-транзисторам позволяет значительно уменьшить габариты магнитных компонентов в источниках питания, в частности трансформаторов

Рис. 1. Переход от кремниевых силовых ключей к силовым GaN-транзисторам позволяет значительно уменьшить габариты магнитных компонентов в источниках питания, в частности трансформаторов

В источниках питания переход от кремниевых полевых транзисторов к транзисторам на основе нитрида галлия (GaN) позволяет значительно увеличить КПД. Сопротивление открытого канала RDS(вкл) для GaN-транзисторов оказывается существенно ниже, чем у кремниевых ключей (таблица 1). Они также обладают более высоким пробивным напряжением, способны работать при повышенных температурах и отличаются лучшими параметрами обратного восстановления. GaN-транзисторы характеризуются низкими динамическими потерями при переключениях, что позволяет им работать на высоких частотах. Это в свою очередь приводит к уменьшению габаритов и веса конечных устройств (рис. 1).

Таблица 1. При создании силовых устройств перспективные широкозонные полупроводники, такие как GaN и SiC, обеспечивают лучшие показатели по сравнению с кремнием

Материал

Кремний

GaN

SiC

Влияние

Ширина запрещенной зоны, эВ

1,1

3,4

3,26

Уменьшение утечек, повышение температуры

Критическая напряженность поля, В/мкм

20

300

200…300

Увеличение пробивного напряжения при тех же размерах кристалла

Подвижность электронов, см2/В·с

1,500

1500

700

Паритет

Теплопроводность, Вт/смК

1,3

>1,5

<3,8

Эффективный теплоотвод, повышенная рабочая температура

Диэлектрическая проницаемость

11,7

9

9,7

Паритет

Увеличение рабочей частоты коммутации позволяет использовать конденсаторы, катушки индуктивности и трансформаторы меньшего размера, что приводит к уменьшению размера, веса и стоимость преобразователей мощности. Переход на GaN-транзисторы может уменьшить габариты источника питания на 50%.

Рассмотрим преимущества GaN-транзисторов подробнее. Для начала проанализируем упрощенную модель мощного МОП-транзистора (рис. 2). Эта модель применима как к кремниевым, так и к GaN-ключам.

Упрощенная эквивалентная схема МОП-транзистора

Рис. 2. Упрощенная эквивалентная схема МОП-транзистора

Модель учитывает паразитные емкости CGD, CGS и CDS. В документации обычно указывают другие параметры: входную емкость (CISS), выходную емкость (COSS) и обратную емкость (CRSS). При этом:

CRSS = CGD,

CISS = CGS + CGD,

COSS = CDS + CGD.

Паразитные емкости включают две составляющие: емкость, образованную оксидным слоем и не зависящую от напряжения смещения, и емкость обедненной области, зависящую от напряжения смещения. COSS уменьшается при снижении RDS(вкл). COSS также имеет сильную нелинейную зависимость от напряжения сток-исток VDS.

У кремниевых и нитрид-галлиевых транзисторов графики зависимости COSS от VDS существенно различаются (рис. 3). Для GaN МОП-транзисторов COSS практически линейно зависит от RDS(вкл) и слабо изменяется при VDS <30 В.

Зависимость COSS от VDS и RDS(вкл) для полевых транзисторов GaN- и Si-транзисторов

Рис. 3. Зависимость COSS от VDS и RDS(вкл) для полевых транзисторов GaN- и Si-транзисторов 

В то же время, для кремниевых полевых транзисторов COSS продолжает возрастать даже при VDS <30 В. Кроме того, зависимость COSS от RDS(вкл) оказывается нелинейной. Так из рис. 3 видно, что для транзистора с RDS(вкл) = 680 мОм, величина COSS при VDS = 30 В примерно в 100 раз больше, чем при VDS = 400 В. Для другого транзистора с RDS(вкл) = 180 мОм, COSS изменяется почти в 300 раз в том же диапазоне VDS.

Кремниевые МОП-транзисторы имеют встроенный обратный диод, который представляет собой паразитный PN-переход, автоматически образующийся в процессе производства. Из-за накопления заряда при прямом смещении диода возникает такое негативное явление, как обратное восстановление. GaN МОП-транзисторы не имеют встроенного диода, поэтому в них процесс обратного восстановления отсутствует.

Пример: активный обратноходовой преобразователь

Как уже было сказано, характеристики Si и GaN существенно различаются, но как переход от кремниевых транзисторов к GaN-ключам отражается на эффективности источников питания? Рассмотрим в качестве примера обратноходовой преобразователь с активным ограничением. Обратноходовая топология сочетает в себе высокую плотность мощности и высокую эффективность. По этой причине ее часто использует в небольших источниках питания.

На рис. 4 представлен обратноходовой преобразователь с активным ограничением. Схема активного ограничения включает в себя силовой транзистор (QH) и последовательный конденсатор (CCLAMP). В данном случае на схеме изображены кремниевые транзисторы со встроенными обратными диодами.

Схема обратноходового преобразователя с активным ограничением. На схеме отображены встроенные диоды и некоторые паразитные составляющие

Рис.  4. Схема обратноходового преобразователя с активным ограничением. На схеме отображены встроенные диоды и некоторые паразитные составляющие

На рис. 4 также показаны некоторые важные паразитные составляющие схемы: выходные емкости (COSS) транзисторов QH и QL, а также емкость выпрямляющего диода на вторичной стороне (CSEC). Трансформатор представлен в виде последовательного соединения индуктивности рассеяния (LLK) и намагничивающей индуктивности первичной обмотки (LPM).

Назначение схемы активного ограничения заключается в том, чтобы ограничить выброс напряжения за счет отвода энергии, накопленной в индуктивности рассеяния трансформатора, в CCLAMP. Разряд конденсатора происходит позже в цикле переключения. Таким образом, удается минимизировать скачок напряжения на первичной стороне трансформатора, тем самым уменьшая перенапряжение на транзисторе QL.

Дополнительного уменьшения уровня потерь можно добиться, если синхронизировать процесс активного ограничения и коммутацию QL, таким образом, чтобы переключения происходили при нулевом напряжении – режим ZVS (zero-volt switching). Работа в режиме ZVS позволяет повысить частоту переключений, а следовательно, уменьшить размеры и вес источника питания.

На рис. 5 показаны диаграммы переключений обратноходового преобразователя с активным ограничением, начиная с момента, когда оба силовых транзистора QL и QH находятся в выключенном состоянии. Обратите внимание, что направления токов ICLAMP и IM меняются. Далее для указания направления токов используются дополнительные обозначения, например, IM (+) и IM (-).

Диаграммы токов и напряжений в схеме обратноходового преобразователя с активным ограничением при работе в режиме ZVS

Рис. 5. Диаграммы токов и напряжений в схеме обратноходового преобразователя с активным ограничением при работе в режиме ZVS

Краткое описание работы в режиме ZVS приведено ниже. Для получения подробной информации следует обратиться к статье от TI – «Comparison of GaN- and Silicon FET-Based Active Clamp Flyback Converters».

Цикл коммутации обратноходового преобразователя с активным ограничением состоит из четырех этапов:

  • Включение QL: IM (+) линейно увеличивается, энергия накапливается в индуктивности намагничивания LPM первичной обмотки.
  • Выключение QL: IM (+) заряжает емкость COSS транзистора QL и разряжает емкость COSS транзистора QH, а также разряжает емкость выпрямляющего диода на вторичной стороне (CSEC). Следовательно, ток IQL уменьшается, а ток ограничения ICLAMP увеличивается. Ток выпрямляющего диода на вторичной стороне IS увеличивается с ростом VSW. IM (+) протекает через встроенный диод QH, заряжая CCLAMP.
  • Включение QH: QH находится в проводящем состоянии, NVOUT начинает размагничивать LPM, поэтому IM (+) уменьшается, и энергия, накопленная в LPM, поступает на выход. В то же время CCLAMP поглощает энергию LLK, резонируя с LLK; следовательно, ICLAMP протекает в положительном направлении.
  • Выключение QH: отрицательный ток намагничивания IM (-) разряжает емкость COSS транзистора QL и заряжает емкость CSEC и емкость COSS транзистора QH, поэтому VSW уменьшается до 0 В.
  • Далее цикл повторяется: QL включается, когда VSW достигает 0 В, обеспечивая работу в режиме ZVS.

Для реализации режима ZVS энергия, накопленная LPM с током IM (-), должна быть больше или равна энергии, накопленной в емкости CSW:

formula_1.png (1 KB)

Из уравнения также видно, что чем большее значение CSW, тем выше должен быть ток IM(-).

Обратноходовые преобразователи с активным ограничением обеспечивают более высокий КПД, по сравнению обычными обратноходовыми преобразователями. В таблице 2 представлено качественное сравнение характеристик различных вариантов исполнения обратноходовых преобразователей. Как видно из таблицы, для обратноходовых преобразователей с активным ограничением потери на переключения и ограничение практически равны нулю.

Таблица 2. Сравнение потерь для различных вариантов исполнения обратного преобразователя

Топология

Pclamp

Pswitching

Pcore

Pwinding

Пассивное ограничение/ DCM

Высокая

Высокая

Максимальная

Средняя

Пассивное ограничение/ TM

Высокая

Средняя

Низкая

Низкая

Активное ограничение/ TM

≈0

≈0 (ZVS)

средняя

Максимальная

Создание дополнительного отрицательного тока закономерно приводит к увеличению плотности магнитного потока в сердечнике. Таким образом, потери в сердечнике для обратноходовых преобразователей с активным ограничением немного выше, чем у обратноходовых преобразователей с пассивным ограничением. Кроме того, ток ограничения протекает в первичной обмотке трансформатора в течение времени размагничивания, увеличивая потери в обмотке. Если потери в трансформаторе становятся слишком большими, они могут свести на нет повышение эффективности от использования схемы активного ограничения.

GaN-транзисторы повышают эффективность обратноходовых преобразователей

Замена кремниевых ключей нитрид-галлиевыми МОП-транзисторами уменьшает уровень потерь. Низкое значение COSS приводит к ограничению пиковых значений тока IM. В свою очередь, ограничение IM приводит к следующим последствиям:

  • к уменьшению потерь в сердечнике;
  • снижению тока в первичной обмотке и, следовательно, к уменьшению потерь в первичной обмотке;
  • снижению тока ограничения и, следовательно, к уменьшению потерь проводимости в QH.

На рис. 6 сравниваются формы сигналов тока первичной обмотки и тока ограничения для двух преобразователей с кремниевыми и нитрид-галлиевыми силовыми ключами. Используемые транзисторы имеют примерно одинаковое значение RDS(ON), в качестве выпрямителя на вторичной стороне применяются диоды Шоттки. По сравнению с кремниевыми транзисторами GaN-ключи обеспечивают снижение IPRI (RMS) и IM на 22%.

Сравнение диаграмм токов подтверждает преимущества силовых GaN-транзисторов при работе в составе обратноходовых преобразователей с активным ограничением 

Рис. 6. Сравнение диаграмм токов подтверждает преимущества силовых GaN-транзисторов при работе в составе обратноходовых преобразователей с активным ограничением 

GaN повышает эффективность преобразователя при работе с малой нагрузкой

На КПД обратноходовых преобразователей влияет не только разница в величине COSS между Si и GaN, но и характер зависимости COSS от напряжения VDS. Это особенно сильно проявляется при работе с небольшой нагрузкой.

Когда ток нагрузки становится меньше, система управления снижает положительный пиковый ток IM (+) для ограничения выходной мощности. В то же время, при постоянном входном напряжении ток размагничивания IM(-) не изменяется. IM (+) определяет энергию, передаваемую на выход, в то время как IM (-) отвечает за накопление энергии для режима ZVS.

В результате при уменьшении нагрузки значения IM (+) и IM (-) становятся сопоставимыми, что приводит к уменьшению КПД.

Обратноходовые преобразователи с активным ограничением, использующие кремниевые транзисторы с сильной нелинейной зависимостью COSS от напряжения VDS, характеризуются повышенным значением IM(-), особенно при высоких входных напряжениях VBULK. При небольшой нагрузке это становится хорошо заметно, так как КПД преобразователя снижается очень быстро. Результаты испытаний показывают, что уменьшение нагрузки с 50% до 25% приводит к падению КПД на 7,3% (рис. 7).

При небольших нагрузках КПД преобразователя с кремниевыми МОП-транзисторами падает значительно быстрее, чем у преобразователей с GaN-ключами

Рис. 7. При небольших нагрузках КПД преобразователя с кремниевыми МОП-транзисторами падает значительно быстрее, чем у преобразователей с GaN-ключами

В то же время для GaN-транзисторов низкая емкость COSS обеспечивает низкое значение IM (-). При этом изменение COSS при малых нагрузках не так сильно влияет на КПД: при уменьшении нагрузки с 50% до 25% падение КПД составляет всего 2,6%.

Управление GaN-транзисторами: другая часть головоломки

GaN-транзисторы обеспечивают значительное повышение КПД в обратноходовых преобразователях с активным ограничением (а также и в других топологиях), но создают определенные проблемы с точки зрения управления. Разработчики не могут напрямую заменить Si-транзистор на GaN-ключ. Традиционные GaN-транзисторы являются нормально открытыми ключами, то есть пропускают ток без приложения управляющего напряжения, тогда как кремниевые МОП-транзисторы являются нормально закрытыми приборами, то есть при отсутствии управляющего напряжения на затворе они не проводят ток.

Чтобы заменить кремниевый МОП-транзистор, может использоваться каскодное включение GaN-транзистора и кремниевого ключа, который обеспечит нормально разомкнутое состояние.

Альтернативный подход состоит в создании нормально-закрытых GaN-транзисторов с улучшенной структурой (enhancement mode, eGaN). К сожалению, из-за различия в рабочих характеристиках для управления такими ключами не всегда могут использоваться обычные драйверы, разработанные для кремниевых транзисторов. Например, максимально допустимое значение напряжения затвор-исток для eGaN составляет 6 В, что значительно меньше, чем у кремниевых транзисторов.

Для обоих типов нитрид-галлиевых транзисторов использование высоких частот переключений невозможно без обеспечения повышенной временной точности при формировании управляющих сигналов. GaN-ключи также оказываются весьма чувствительными к паразитным индуктивностям, образованным выводами корпусов, проводниками и внешними источниками.

Для работы с GaN-транзисторами производители предлагают как универсальные драйверы, так и специализированные интегральные решения. Например, UCC28780 – это контроллер обратноходового преобразователя с активным ограничением с поддержкой режима ZVS. UCC28780 может использоваться как с GaN, так и с Si-транзисторами. Часть схемы, отвечающая за ZVS, включает в себя автоматическую настройку, адаптивную оптимизацию мертвого времени, закон управления частотой переключения и адаптивное многомодовое управление, которое подстраивает работу схемы с учетом входных и выходных параметров. Эти функции позволяют UCC28780 достигать ZVS в широком рабочем диапазоне.

Еще одним интересным решением становится интеграция GaN МОП-транзистора, драйвера и схемы защиты в одном корпусе. В качестве примера можно привести LMG341xR070 (рис. 8). Встроенный драйвер обеспечивает коммутацию напряжений со скоростью 100 В/нс и с минимальным звоном; схема ограничения тока предотвращает возникновение сквозных токов. От перегрева защищает встроенная схема аварийного отключения. Дополнительный выход FAULT обеспечивает возможность самоконтроля.

LMG341xR070 имеет в своем составе 600 В нитрид-галлиевый МОП-транзистор, схему управления и защиты

Рис. 8. LMG341xR070 имеет в своем составе 600 В нитрид-галлиевый МОП-транзистор, схему управления и защиты

Источники информации

Texas Instruments предлагает несколько ресурсов, которые могут помочь инженерам в освоении GaN-транзисторов. На официальном сайте TI есть специальная страница, посвященная GaN. На ней размещены различные документы, руководства, ссылки на компоненты и референсные схемы.

В данной статье мы рассмотрели работу обратноходового преобразователя с активным ограничением. Подробный разбор этой схемы можно найти в руководстве “Comparison of GaN- and Silicon FET-Based Active Clamp Flyback Converters” от TI. Источником полезной информации также является он-лайн семинар Power Supply Design Seminar. Этот семинар включает несколько видео роликов, посвященных, в том числе, и особенностям использования GaN-транзисторов в источниках питания.

 

Производитель: Efficient Power Conversion (EPC) Corporation
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
EPC2001
EPC2001
Efficient Power Conversion (EPC) Corporation
Арт.: 1371540 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
eGaN (Нитрид Галлия) FET транзистор 100V 25A
EPC2001
-
Поиск
предложений
EPC2007
EPC2007
Efficient Power Conversion (EPC) Corporation
Арт.: 1371541 ИНФО PDF AN RD DT
Поиск
предложений
eGaN (Нитрид Галлия) FET транзистор 100V 6A
EPC2007
-
Поиск
предложений
EPC2010
EPC2010
Efficient Power Conversion (EPC) Corporation
Арт.: 1371542 ИНФО PDF AN
Поиск
предложений
eGaN (Нитрид Галлия) FET транзистор 200V 12A
EPC2010
-
Поиск
предложений
EPC2012
EPC2012
Efficient Power Conversion (EPC) Corporation
Арт.: 1371543 ИНФО PDF AN DT
Поиск
предложений
eGaN (Нитрид Галлия) FET транзистор 200V 3A
EPC2012
-
Поиск
предложений
EPC2014
EPC2014
Efficient Power Conversion (EPC) Corporation
Арт.: 1371544 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
eGaN (Нитрид Галлия) FET транзистор 40V 10A
EPC2014
-
Поиск
предложений
EPC2015
EPC2015
Efficient Power Conversion (EPC) Corporation
Арт.: 1371545 ИНФО PDF AN RD DT
Поиск
предложений
eGaN (Нитрид Галлия) FET транзистор 40V 33A
EPC2015
-
Поиск
предложений
EPC2019
EPC2019
Efficient Power Conversion (EPC) Corporation
Арт.: 3095696 ИНФО PDF RD DT
Поиск
предложений
Cиловой нитрид-галлиевый транзистор, N-Channel 200V 8.5A (Ta) Surface Mount Die
EPC2019
-
Поиск
предложений
Производитель: GaN Systems
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
GS66508T-E02-TY
GS66508T-E02-TY
GaN Systems
Арт.: 2090044 ИНФО PDF DT
4466,38
Поиск
предложений
Характеристики GaN-транзистора GS66508T: • Рейтинг напряжения: 650 В; • Типовое сопротивление открытого канала: 50 мОм; • Максимальное сопротивление открытого канала: 63 мОм; • Максимальный токе стока: 30А; • Допустимый диапазон напряжения затвор-исток: 0…6 В; • Устойчивость затвора к импульсным перенапряжениям: -20…+10 В; • Рабочая частота: более 100 МГц; • Расположение теплоотводящей площадки: сверху; • Корпус: GaNPX™ 6,9 x 4,5 мм.
GS66508T-E02-TY 4466,38
-
Поиск
предложений
Производитель: Texas Instruments
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
UCC28780D
UCC28780D
Texas Instruments
Арт.: 2722003 ИНФО PDF AN RD DT
Поиск
предложений
Switching Controllers Adaptive Zero Voltage Switching Active-Clamp Flyback Controller
UCC28780D
-
Поиск
предложений
UCC28780DR
UCC28780DR
Texas Instruments
Арт.: 2722004 ИНФО PDF AN RD DT
Поиск
предложений
Switching Controllers Adaptive Zero Voltage Switching Active-Clamp Flyback Controller
UCC28780DR
-
Поиск
предложений
UCC28780RTER
UCC28780RTER
Texas Instruments
Арт.: 2722006 ИНФО PDF AN RD DT
Поиск
предложений
Switching Controllers Adaptive Zero Voltage Switching Active-Clamp Flyback Controller 16-WQFN -40 to 125
UCC28780RTER
-
Поиск
предложений

Сравнение позиций

  • ()