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
1631
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 553,00 от 8 шт. 474,00 от 16 шт. 426,00 от 34 шт. 395,00 от 89 шт. 375,00
-
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 165,00 от 24 шт. 141,00 от 53 шт. 127,00 от 114 шт. 118,00 от 299 шт. 112,00
-
Поиск
предложений
EPC2010
EPC2010
Efficient Power Conversion (EPC) Corporation
Арт.: 1371542 ИНФО PDF AN
Поиск
предложений
eGaN (Нитрид Галлия) FET транзистор 200V 12A
EPC2010 1270,00 от 4 шт. 1090,00 от 7 шт. 979,00 от 15 шт. 906,00 от 39 шт. 861,00
-
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 244,00 от 16 шт. 209,00 от 36 шт. 188,00 от 77 шт. 174,00 от 202 шт. 165,00
-
Поиск
предложений
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 466,00 от 9 шт. 399,00 от 19 шт. 359,00 от 41 шт. 333,00 от 106 шт. 316,00
-
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 543,78
-
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
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 4553,21
-
Поиск
предложений
Производитель: Texas Instruments
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
UCC28780D
UCC28780D
Texas Instruments
Арт.: 2722003 PDF AN RD DT
Доступно: 905 шт. от: 400 руб.
Выбрать
условия
поставки
Switching Controllers Adaptive Zero Voltage Switching Active-Clamp Flyback Controller
UCC28780D от 400 шт. от 71,84
905 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
UCC28780DR
UCC28780DR
Texas Instruments
Арт.: 2722004 PDF AN RD
Доступно: 1087 шт. от: 2500 руб.
Выбрать
условия
поставки
Switching Controllers Adaptive Zero Voltage Switching Active-Clamp Flyback Controller
UCC28780DR от 2500 шт. от 59,84
1087 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
UCC28780RTER
UCC28780RTER
Texas Instruments
Арт.: 2722006 PDF AN RD DT
Доступно: 1087 шт. от: 3000 руб.
Выбрать
условия
поставки
Switching Controllers Adaptive Zero Voltage Switching Active-Clamp Flyback Controller 16-WQFN -40 to 125
UCC28780RTER от 3000 шт. от 59,84
1087 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки

Сравнение позиций

  • ()