GaN-транзисторы. Путь к высокой эффективности в высоковольтных приложениях. Глава 2

Настоящий цикл публикаций является переводом сборника статей, посвященных нитрид-галлиевым транзисторам. В данной главе рассматриваются преимущества использования GaN-ключей в высоковольтных приложениях
2300
В избранное

Практически в каждом электронном устройстве есть источник питания. Чаще всего в качестве источников питания используют импульсные преобразователи, которые обеспечивают максимальную эффективность. Примерами таких преобразователей являются AC/DC-преобразователи, DC/DC-конвертеры, приводы двигателей переменного тока, инверторы для солнечных батарей и т. д. При использовании новейших технологий эффективность таких источников может быть дополнительно увеличена, например, за счет перехода на GaN-транзисторы.

Проблема

Переход от линейных регуляторов к импульсным источникам питания позволил существенно увеличить эффективность электронных устройств. В настоящее время количество электронных устройств постоянно увеличивается, в результате чего одной из важнейших целей, стоящих перед разработчиками, становится обеспечение высокой эффективности. Это касается как портативных и мобильных устройств с аккумуляторным питанием, так и коммерческой и бытовой электроники, питающейся от сети. Эффективность также является важным показателем и для промышленного оборудования.

Центры обработки данных (дата-центры) являются одним из наиболее наглядных подтверждений важности обеспечения высокой эффективности. В таких центрах используется параллельная работа тысяч серверов, обеспечивающих интернет-соединения. Не удивительно, что потребление такой системы оказывается выше, чем у любого другого коммерческого объекта. К этому также следует прибавить потребление систем охлаждения и кондиционирования воздуха, которые необходимы для поддержания рабочей температуры серверов. Даже небольшое увеличение эффективности может значительно снизить затраты на электричество и охлаждение.

Уровень потерь в импульсных устройствах определяется в основном двумя факторами: собственным сопротивлением силовых транзисторов и потерями при включениях и выключениях. В большинстве традиционных источников питания используются стандартные кремниевые МОП-транзисторы. Разумеется, пока силовой ключ находится в выключенном состоянии, его потери практически равны нулю, однако при включении транзистор переходит в область насыщения и начинает рассеивать мощность, определяемую сопротивлением открытого канала. Большой вклад в общий уровень потерь вносят динамические потери. Когда МОП-транзистор включается или выключается, он неизбежно проходит через активную область ВАХ, где потери оказываются весьма существенными. Чем медленнее происходит процесс переключения и чем длиннее длительность фронта/ среза, тем выше будет мощность, рассеиваемая на силовом ключе.

Наиболее очевидное решение данной проблемы заключается в поиске самого быстрого транзистора с минимальным собственным сопротивлением, если, конечно, такой транзистор существует. И кроме того, необходимо убедиться, что этот силовой ключ сможет выдерживать высокие напряжения, тем более, что высоковольтные помехи являются обычным делом как для промышленного, так и для коммерческого оборудования.

Наконец, архитектура источника питания должна быть оптимальной. Количество ступеней преобразования необходимо уменьшать, так как каждая ступень вносит дополнительные потери и снижает КПД источника питания.

Решение

Первым шагом оптимизации архитектуры источника питания должно стать уменьшение числа ступеней преобразования напряжения. Следует еще раз подчеркнуть, что каждая ступень, будь то выпрямитель, ККМ или DC/DC-преобразователь, вносит дополнительные потери и снижает КПД источника питания. Таким образом, следует работать с более высоковольтными силовыми компонентами. Как известно, увеличение рабочего напряжения приводит к пропорциональному уменьшению рабочего тока. Поэтому низковольтные цепи с высокими токовыми нагрузками всегда будут потреблять больше энергии, чем высоковольтные схемы с низкими рабочими токами.

Именно по озвученной выше причине при транспортировке электричества на длинные дистанции используют ЛЭП с напряжением десятки и сотни кВ. Чем выше напряжение, тем ниже ток. Чем ниже ток, тем меньше падение на проводах и тем меньше потери на единицу длины для ЛЭП.

Цель разработки заключается в том, чтобы обеспечить преобразование сетевого напряжения до требуемого уровня за меньшее число шагов. С сетевыми напряжениями 480 или 240 В, а также с напряжениями с выхода солнечного инвертора можно работать напрямую. Зарядные устройства для электромобилей используют переменное напряжение 240 В, а номинальное напряжение их аккумуляторов обычно составляет около нескольких сотен вольт. Залогом успеха при разработке высоковольтных приложений становится грамотный выбор электронных силовых компонентов, например, диодов и транзисторов, способных без проблем справляться с высокими напряжениями.

Высоковольтные кремниевые диоды были разработаны уже давно, а характеристики традиционных кремниевых МОП-транзисторов продолжают улучшаться. В настоящий момент существуют модели МОП-транзисторов, которые могут выдерживать напряжения до 1000 В, имеют низкое сопротивление открытого канала и обеспечивают достаточно быстрые переключения. Однако существует и более перспективные силовые компоненты, а именно полевые GaN-ключи. Скорость переключений нитрид-галлиевых транзисторов значительно выше, чем у кремниевых аналогов, при том, что их сопротивление наоборот оказывается ниже. Кроме того, они способны работать с высокими напряжениями.

GaN-транзисторы широко используются для построения высокочастотных усилителей мощности микроволнового и миллиметрового диапазонов. Эти высоковольтные ключи способны коммутировать сотни и даже тысячи ватт мощности при постоянно увеличивающихся рабочих частотах. Теперь GaN-транзисторы постепенно начинают применяться в источниках питания.

Одним из преимуществ GaN-транзисторов является их высокое быстродействие. При их использовании рабочая частота импульсного источника питания может существенно превышать привычные 100 кГц. Благодаря высокой частоте переключений (свыше 1 МГц), удается снизить уровень пульсаций, уменьшить габариты конденсаторов и индуктивностей. В результате фильтрация упрощается, а применение более компактных компонентов позволяет уменьшить общий размер источника питания.

К сожалению, у нитрид-галлиевых ключей есть недостатки. В частности, традиционные GaN-транзисторы работают в режиме обеднения, то есть представляют собой нормально открытые устройства. Другими словами, они проводят ток даже при отсутствии управляющего сигнала на затворе и, наоборот, для выключения такого транзистора необходимо подать управляющий сигнал на затвор. В то же время традиционные кремниевые МОП-транзисторы являются нормально закрытыми ключами и не проводят ток до тех пор, пока не будет превышено пороговое напряжение на затворе. Очевидно, что работать с кремниевыми МОП-транзисторами проще.

GaN-транзисторы требуют сложных цепей управления. Теми не менее, эту проблему стоит решать, так как GaN-ключи обещают сверхкороткие наносекундные коммутации. Кроме того, для них сопротивление открытого канала может лежать в диапазоне нескольких десятков мОм.

Решение задачи управления GaN-транзисторами

Эффективность новых кремниевых полевых транзисторов постоянно повышается. Тем не менее, в настоящее время для импульсных источников питания доступны и более продвинутые решения. Например, SiC МОП-транзисторы имеют низкое сопротивление, обеспечивают быстрые переключения и обладают высокой стойкостью к высоким напряжениям. Еще лучшим вариантом становятся интегральные микросхемы с GaN-транзисторами. Примером таких устройств является микросхема LMG3410 от Texas Instruments (рис. 1).

LMG3410 от Texas Instruments объединяет в одном корпусе GaN-транзистор и интеллектуальный драйвер

Рис. 1. LMG3410 от Texas Instruments объединяет в одном корпусе GaN-транзистор и интеллектуальный драйвер.

Данная микросхема упрощает схему включения, обеспечивает максимальную частоту переключений, высокое рабочее напряжение и низкое сопротивление.

LMG3410 объединяет в одном корпусе GaN-транзистор и драйвер, что существенно упрощает схемную реализацию импульсных преобразователей. Микросхема имеет рабочее напряжение 600 В и нагрузочный ток до 12 А. Устойчивая работа LMG3410 возможна на частотах до 1 МГц. Задержка распространения сигналов управления составляет 20 нс, а скорость переключения регулируется в диапазоне 25…100 В/нс, что позволяет находить компромисс между эффективностью и уровнем электромагнитных помех. Сопротивление открытого канала GaN-транзистора составляет 70 мОм.

Как видно из рис. 1, главной особенностью LMG3410 является встроенный драйвер затвора, который удерживает GaN-транзистор в выключенном состоянии при отсутствии входного сигнала управления. Встроенный DC/DC преобразователь формирует отрицательное напряжение смещения, необходимое для выключения транзистора. Включение GaN-транзистора происходит при подаче управляющего сигнала 3…5 В на вход микросхемы. Когда питание LMG3410 отсутствует, кремниевый МОП-транзистор, включенный по каскодной схеме, блокирует протекание тока.

LMG3410 также имеет множество защитных функций, в частности защиту от просадок напряжения (UVLO), от перегрузки по току и перегрева. Выходной сигнал FAULT сообщает о возникновении аварийных ситуаций. LMG3410 выпускается в компактном QFN-корпусе размером 8 × 8 мм.

Заключение

При проектировании импульсного источника питания следует обращать внимание на новые решения и технологии, появляющиеся на рынке. Даже незначительное повышение эффективности может иметь большое значение для снижения потребления и уменьшения тепловыделения. Кроме того, работа на высоких частотах позволяет использовать компактные компоненты, в первую очередь конденсаторы и индуктивности, что приводит к уменьшению габаритов источника питания, упрощению задачи по отводу тепла и, даже, уменьшению стоимости.

Предыдущие главы:

  1. GaN-транзисторы. Новая страница в истории силовых схем. Глава 1
Производитель: Texas Instruments
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
LMG3410R070RWHR
LMG3410R070RWHR
Texas Instruments
Арт.: 3041736 ИНФО PDF AN RD DT
Доступно: 373 шт. от 2000 шт. от 1008,83
Выбрать
условия
поставки
Half Bridge Driver Synchronous Buck Converters MOSFET (Metal Oxide) 32-VQFN (8x8)
LMG3410R070RWHR от 2000 шт. от 1008,83
373 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
LMG3410R070RWHT
LMG3410R070RWHT
Texas Instruments
Арт.: 3041737 ИНФО PDF AN RD DT
Доступно: 242 шт. от 1 шт. от 1556,82
Выбрать
условия
поставки
Драйверы для управления затвором SMART 70MOHM GAN FET WITH DRIVER
LMG3410R070RWHT от 1 шт. от 1556,82
242 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
LMG3410EVM-018
LMG3410EVM-018
Texas Instruments
Арт.: 3416579 ИНФО RD
Поиск
предложений
LMG3410R050 daughter card
LMG3410EVM-018
-
Поиск
предложений
LMG3410EVM-031
LMG3410EVM-031
Texas Instruments
Арт.: 3416580 ИНФО RD
Поиск
предложений
LMG3410R150 daughter card
LMG3410EVM-031
-
Поиск
предложений

Сравнение позиций

  • ()