GaN-транзисторы. Новая страница в истории силовых схем. Глава 1

Настоящий цикл публикаций является переводом сборника статей, посвященных нитрид-галлиевым транзисторам. В первой главе выполняется общий обзор GaN-ключей, а также рассматриваются преимущества их использования в источниках питания. Надежные и проверенные кремниевые МОП-транзисторы по-прежнему остаются важнейшими элементами источников питания, но благодаря появлению новых технологий начинается постепенный переход на GaN-ключи
639
В избранное

Настоящий цикл публикаций является переводом сборника статей, посвященных нитрид-галлиевым транзисторам. В первой главе выполняется общий обзор GaN-ключей, а также рассматриваются преимущества их использования в источниках питания. Надежные и проверенные кремниевые МОП-транзисторы по-прежнему остаются важнейшими элементами источников питания, но благодаря появлению новых технологий начинается постепенный переход на GaN-ключи.

Мощные кремниевые МОП-транзисторы на протяжении многих лет выступали в качестве основы для построения блоков питания. И хотя они все еще широко используются, в некоторых новых разработках им на смену приходят нитрид-галлиевые транзисторы (GaN-транзисторы). Успехи в области создания новых технологий производства, повышение доступности GaN-ключей и специализированных драйверов привели к тому, что разработчики все чаще начинают обращать внимание на силовые GaN-транзисторы. Такие транзисторы имеют целый ряд преимуществ перед обычными кремниевыми ключами. В частности они обладают более высокой скоростью переключений и более высокой эффективностью.

GaN-ключи

Силовые GaN-транзисторы существуют уже несколько лет. Ранние версии нитрид-галлиевых ключей предполагали использование дорогостоящих подложек, таких, например, как сапфир или карбид кремния (SiC). При этом они применялись преимущественно в усилителях мощности, работающих в области высоких частот. Благодаря высокой подвижности электронов и повышенной электрической прочности, GaN-транзисторы способны коммутировать сотни ватт мощности в гигагерцовом диапазоне.

GaN-транзисторы часто называют транзисторами с высокой подвижностью электронов (high electron mobility transistors, HEMT) или псевдоморфными HEMT (pHEMT). HEMT представляют собой полевые транзисторы, в которых используются переходы металл-полупроводник, а для создания затвора и канала применяются различные материалы. Такие транзисторы работают в режиме обеднения, то есть оказываются нормально открытыми ключами, в отличие от кремниевых МОП-транзисторов, которые являются нормально закрытыми ключами. Для нормальной работы HEMT-транзисторам обычно требуются дополнительные цепи смещения.

С течением времени были созданы улучшенные версии нитрид-галлиевых ключей (enhancement-mode GaN FET или eGaN), которые представляют собой силовые устройства с изолированным затвором. Как и все другие GaN-ключи, eGaN-транзисторы обладают высокой скоростью переключений, повышенной электрической прочностью и отличной теплопроводностью. Хотя стоимость eGaN-транзисторов все еще выше, чем у кремниевых МОП-транзисторов, их использование в составе источников питания все же оказывается оправданным благодаря существенному приросту рабочей частоты и увеличению КПД.

Преимущества использования GaN в высоковольтных источниках питания

Импульсные источники питания (SMPS) являются основным решением проблемы повышения эффективности и снижения уровня потребления. Большинство современных источников питания оказываются импульсными, речь идет о DC/DC-преобразователях, инверторах, POL-преобразователях и др. Тем не менее, даже импульсным преобразователям есть куда расти с точки зрения показателей эффективности.

Очевидным является тот факт, что каждая ступень преобразования в источнике питания вносит свой вклад в уменьшение полного КПД системы. Для приведения входного сетевого напряжения к уровню, пригодному для питания процессоров и ПЛИС, обычно требуется нескольких ступеней преобразования. Если для создания силовых каскадов использовать высоковольтные ключи, то можно уменьшить количество ступеней. GaN-транзисторы хорошо подходят для решения такой задачи.

Примерами высокой эффективности GaN-транзисторов становятся системы питания центров обработки данных. Дата-центры объединяют множество мощных серверов, которые требуют низких рабочих напряжений и отличаются высоким рабочим током. Стоит отметить, что цена источника питания определяется не только мощностью, но и необходимой системой охлаждения. Любое, даже на первый взгляд, минимальное повышение эффективности на самом деле имеет большое значение. На рис. 1 показан типовой сетевой источник питания со входным напряжением 120/ 240 В.

Такая конфигурация системы питания обычно используется в центрах обработки данных

Рис. 1. Такая конфигурация системы питания обычно используется в центрах обработки данных

В качестве первой ступени предложенной системы питания выступает корректор коэффициента мощности (ККМ, PFC), наличие которого необходимо в соответствии с требованиями поставщиков электроэнергии. Обычно ККМ реализуется в виде повышающего преобразователя с выходным напряжением 380 В (DC). Далее это напряжение поступает на вход LLC-преобразователя, где снижается до 36…60 В. Промежуточный DC/DC-регулятор формирует выходное напряжение шины 12 В. Индивидуальные POL-преобразователи необходимы для получения напряжений от 1 до 1,8 В для питания ПЛИС, памяти и процессоров. Как уже отмечалось выше, каждая ступень в данной схеме преобразования вносит свой вклад в общий уровень потерь и снижение КПД.

На рис. 2 показан улучшенный вариант системы питания. В ККМ используются GaN-ключи, которые могут работать при более высоких напряжениях и на более высоких скоростях. Увеличение частоты переключений позволяет эффективнее использовать магнитные элементы и уменьшать их габариты. Благодаря применению GaN-транзисторов в LLC-преобразователе, его рабочая частота также существенно возрастает, превышая 1 МГц. Если POL-преобразователи построены на базе GaN-ключей, то промежуточный DC/DC-регулятор для преобразования напряжения шины 48 В не требуется. Таким образом, при использовании GaN-транзисторов не только возрастает КПД, но и уменьшаются габариты источника питания.

Эффективность системы питания была улучшена за счет использования различных топологий и уменьшения ступеней преобразования

Рис. 2. Эффективность системы питания была улучшена за счет использования различных топологий и уменьшения ступеней преобразования

Еще одно приложение GaN-транзисторов связано с солнечными инверторами. Солнечная панель обычно требует повышающего DC/DC-преобразователя, выходное напряжение которого поступает на инвертор. Инвертор формирует переменное напряжение 120/240 В с частотой 60 Гц для питания нагрузки. Некоторые системы могут иметь в своем составе аккумулятор. Переход на GaN-транзисторы в повышающем DC/DC-преобразователе и в инверторе позволяет использовать рабочие частоты свыше 100 кГц, в результате чего эффективность системы питания существенно возрастает.

Помимо DC/DC-преобразователей, POL-преобразователей и инверторов, GaN-транзисторы используются в приводах электродвигателей и усилителях мощности класса D.

Прорывное интегральное решение

Разработка устройств с GaN-транзисторами затрудняется в основном из-за проблем с реализацией драйверов. Схема драйвера должна не только формировать оптимальные управляющие напряжения, но и обеспечивать защиту от помех или просадок напряжения.

Одним из решений указанных проблем является микросхема LMG5200 от Texas Instruments. Этот гибридный модуль (hybrid multichip module, MCM) имеет в своем составе полумост из двух GaN-транзисторов с рейтингом напряжения 80 В и нагрузочным током 10 А. Функциональная блок-схема LMG5200 представлена на рис. 3. Схема защиты от просадок напряжения (UVLO) предотвращает частичное включение полевых транзисторов в случаях, когда входное напряжение питания оказывается слишком низким. Схема защиты от помех не допускает выход напряжения на затворе за рамки допустимого диапазона. Микросхема LMG5200 имеет следующие особенности:

  • Встроенные GaN-транзисторы с сопротивлением открытого канала 15 мОм, способные работать с напряжениями до 80 В и выдерживающие кратковременные перенапряжения до 100 В;
  • встроенный драйвер затвора, способный коммутировать силовые ключи с частотой до 10 МГц;
  • TTL-совместимые входы;
  • минимальная ширина ШИМ 10 нс;
  • задержка распространения сигналов управления 29,5 нс.

При использовании LMG5200 совместно с контроллером TPS53632G от TI можно без проблем создать POL-преобразователь, конвертирующий напряжение шины 48 В в низковольтное напряжение питания 0,5…1,8 В. Для ознакомления с возможностями LMG5200  предлагается отладочный набор.

Гибридный модуль LMG5200 имеет в своем составе два GaN-транзистора и обеспечивает функции защиты от перенапряжений и просадок напряжения

Рис. 3. Гибридный модуль LMG5200 имеет в своем составе два GaN-транзистора и обеспечивает функции защиты от перенапряжений и просадок напряжения

Производитель: Texas Instruments
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
LMG5200MOFR
LMG5200MOFR
Texas Instruments
Арт.: 2257830 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
IC HALF-BRIDGE DRIVER GAN 9QFM
LMG5200MOFR
-
Поиск
предложений
LMG5200MOFT
LMG5200MOFT
Texas Instruments
Арт.: 2257831 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
GAN FET DRIVER, HALF-BRIDGE, QFM-9
LMG5200MOFT
-
Поиск
предложений

Сравнение позиций

  • ()