POL

GaN-транзисторы. Преимущества использования GaN-устройств в POL-преобразователях. Глава 4

Настоящий цикл публикаций является переводом сборника статей, посвященных нитрид-галлиевым транзисторам. Очередная глава данного цикла снова посвящена вопросам использования GaN-транзисторов в POL-преобразователях. Как показывает практика, чтобы реализовать все преимущества GaN-транзисторов, необходимо правильно выбрать топологию источника питания и уделить максимум внимания некоторым вопросам трассировки и компоновки печатной платы.
505
В избранное

Настоящий цикл публикаций является переводом сборника статей, посвященных нитрид-галлиевым транзисторам. Очередная глава данного цикла снова посвящена вопросам использования GaN-транзисторов в POL-преобразователях. Как показывает практика, чтобы реализовать все преимущества GaN-транзисторов, необходимо правильно выбрать топологию источника питания и уделить максимум внимания некоторым вопросам трассировки и компоновки печатной платы.

Ни для кого не секрет, что большие центры обработки данных (дата-центры), телекоммуникационные станции и игровые серверы потребляют огромный объем электроэнергии. По прогнозам специалистов общее потребление дата-центров в США увеличится примерно до 140 миллиардов киловатт-часов в год к 2020 году. Это будет эквивалентно мощности, генерируемой 50 электростанциями, а стоимость электричества составит около 13 миллиардов долларов в год.

На рис. 1 показана типовая организация системы питания для серверов, работающих в центре обработки данных. Несмотря на то, что КПД каждой отдельной ступени преобразования мощности оказывается чрезвычайно высоким, тем не менее, общий КПД всей системы составляет всего лишь около 67%. Стоит отметить, что последние два DC/DC-регулятора обладают наименьшей эффективностью, кроме того они, как правило, располагаются в местах с ограниченным пространством, обычно в серверной стойке или на материнской плате. Поскольку потери мощности рассеиваются в виде тепла, то снижение эффективности неизбежно приводит к увеличению затрат на охлаждение. По этой причине разработчики всегда стремятся повысить КПД этих преобразователей.

Для получения напряжения 1 В для питания низковольтных серверных микропроцессоров требуется нескольких ступеней преобразования мощности как AC-DC, так и DC-DC, при этом около 33% мощности теряется в виде тепла.

Рис. 1. Для получения напряжения 1 В для питания низковольтных серверных микропроцессоров требуется нескольких ступеней преобразования мощности как AC-DC, так и DC-DC, при этом около 33% мощности теряется в виде тепла.

Очень часто разработчики используют распределенные системы питания с общей шиной 48 В и отдельными POL-регуляторами. Увеличение напряжения общей шины приводит к уменьшению тока (при условии равенства мощности), и, как следствие, к снижению омических потерь на проводах. Подобную распределенную архитектуру компания Google предложила использовать в рамках отраслевого консорциума Open Compute Project, специализирующегося на разработке энергоэффективных центров обработки данных.

Такие проекты способствуют внедрению новых полупроводниковых материалов и высокоэффективных топологий POL-регуляторов, которые способны преобразовывать 48 В в 1 В.

Особенности нитрида галлия

В течение многих лет кремний оставался основным материалом для большинства полупроводниковых электронных компонентов. Однако сейчас ему на смену приходит нитрид галлия (GaN), который используется для производства силовых транзисторов, применяемых в промышленной автоматизации, приводах электродвигателей, высокочастотных DC/DC-преобразователях и многих других приложениях.

Зачем использовать GaN? Ответ прост: этот широкозонный полупроводниковый материал обеспечивает более высокую эффективность по сравнению с кремнием в силовых приложениях. Ширина запрещенной зоны для GaN составляет 3,4 эВ, в то время как у кремния всего 1,1 эВ. Большая ширина запрещенной зоны дает силовым GaN-транзисторам целый ряд преимуществ, в том числе:

  • низкое значение входной и выходной емкости, что позволяет этим транзисторам работать на более высоких частотах с меньшими потерями при переключениях;
  • минимальные кондуктивные и динамические потери, а также близкие к нулю потери обратного восстановления, что приводит к повышению эффективности;
  • минимальная площадь, занимаемая транзисторами на печатной плате, что обеспечивает увеличение плотность мощности источников питания;
  • низкое значение открытого канала RDS(on), которое позволяет работать с высокими нагрузочными токами.

Существуют и другие широкозонные полупроводники, в частности карбид кремния (SiC), для которого ширина запрещенной зоны составляет 3,3 эВ. Тем не менее, ожидается, что GaN-транзисторы будут доминировать в высокоэффективных приложениях с рабочим напряжением до 200 В и нагрузочным током до 50 А.

При переходе от кремниевых ключей к нитрид-галлиевым транзисторам эффективность преобразователя возрастает во всем диапазоне нагрузочных токов. В качестве примера на рис. 2 представлено сравнение эффективности двух POL-преобразователей со входным напряжением 48 В.

При построении мощных DC/DC-преобразователей GaN-транзисторы обеспечивают целый ряд преимуществ по сравнению с кремниевыми ключами.

Рис. 2. Сравнение эффективности двух POL-преобразователей со входным напряжением 48 В

При построении мощных DC/DC-преобразователей GaN-транзисторы обеспечивают целый ряд преимуществ по сравнению с кремниевыми ключами. Это приводит к существенному увеличению КПД во всем диапазоне нагрузочных токов. 

Увеличение эффективности за счет интеграции драйвера и силового ключа в одной микросхеме

GaN-транзисторы переключаются намного быстрее, чем кремниевые МОП-транзисторы, они также обеспечивают меньший уровень кондуктивных и динамических потерь, однако для реализации этих преимуществ необходимо учесть несколько важных аспектов и решить несколько ключевых проблем.

Технология производства GaN-транзисторов отличается от традиционных технологий, используемых при производстве кремниевых компонентов. По этой причине интеграция GaN-ключей и драйверов в одном корпусе имеет определенные сложности и сейчас GaN-транзисторы, как правило, выпускаются в виде дискретных компонентов. Каждый корпус имеет паразитную индуктивность, точно также как и проводники на печатной плате. Эти индуктивности ограничивают эффективность переключений GaN-транзисторов при высоких скоростях нарастания. Интеграция GaN-ключа и драйвера в одном корпусе позволяет свести паразитную индуктивность к минимуму и обеспечить максимальную эффективность переключений.

Такая интеграция также облегчает реализацию защитных функций. Например, для защиты от коротких замыканий необходимо обеспечить низкую индуктивность соединения между GaN-ключом и его драйвером. Дополнительная индуктивность может вызвать звон и требует длительного времени установления, чтобы предохранить схему защиты от ложных срабатываний. Интеграция драйвера сводит паразитную индуктивность к минимуму, поэтому быстродействие схемы защиты от перегрузки будет максимальным.

Поскольку общее металлическое основание микросхемы обладает отличной теплопроводностью, то температуры драйвера и GaN-транзистора оказываются достаточно близкими. Таким образом, схема защиты силового ключа от перегрева может быть реализована на кристалле драйвера.

Архитектурные преимущества, обеспечиваемые GaN-транзисторами

Использование GaN-транзисторов также дает некоторые преимущества с точки зрения архитектуры источников питания. На рис. 3 показана типовая организация системы питания, включающая AC/DC- и DC/DC-преобразователи. Напряжение шины 12/ 24/ 48 В на вторичной стороне трансформатора понижается до промежуточного напряжения 3,3 В, которое далее преобразуется отдельными POL-регуляторами для питания низковольтных процессоров и других компонентов.

Источник вторичного питания использует напряжение шины 48 В для получения промежуточного уровня напряжения 3,3 В, которое далее преобразуется отдельными POL-регуляторами 

Рис. 3. Источник вторичного питания использует напряжение шины 48 В для получения промежуточного уровня напряжения 3,3 В, которое далее преобразуется отдельными POL-регуляторами 

При переходе на GaN-транзисторы можно отказаться от промежуточной ступени напряжения 3,3 В и выполнять прямое преобразование 48 В/ 1 В. Устранение промежуточной ступени повышает общий КПД, уменьшает размеры печатной платы, а также снижает затраты на охлаждение.

Топологии DC/DC-преобразователей с GaN-транзисторами

Для понижения напряжения с 48 В до 1 В можно использовать несколько различных топологий DC/DC-преобразователей. Каждая из этих топологий имеет свои достоинства и недостатки. Понижающий преобразователь является самым простым и недорогим вариантом, но его эффективность не очень высока. С другой стороны, полумостовая топология с изолирующим трансформатором оказывается сложнее и дороже, но зато обеспечивает высокую эффективность.

Полумостовая топология характеризуется высоким коэффициентом преобразования напряжения (отношение входного напряжения к выходному), отличными динамическими свойствами и высоким выходным током. Эти преимущества обеспечиваются благодаря двухполупериодному выпрямителю на вторичной стороне. Давайте рассмотрим структуру и работу полумостового преобразователя на конкретном примере.

Понижающая топология отличаются низкой стоимостью (a), а полумостовая топология обеспечивает высокую эффективность (b)

Рис. 4. Понижающая топология отличаются низкой стоимостью (a), а полумостовая топология обеспечивает высокую эффективность (b)

Пример использования

На рис. 5 показана блок-схема POL-преобразователя 48 В/ 1 В, построенного на базе интегральной микросхемы GaN5200 и полумостового контроллера TPS53632G. GaN5200 имеет встроенный GaN-полумост с рейтингом напряжения 80 В и токовой нагрузкой до 10 А.

Упрощенная схема DC/DC-преобразователя 48 В/ 1 В

Рис. 5. Упрощенная схема DC/DC-преобразователя 48 В/ 1 В.

В схеме используется микросхема LMG5200, полумостовой ШИМ-контроллер TPS53632, сдвоенный драйвер UCC27523 и два дискретных GaN-транзистора EPC2023. 

Силовой полумост в микросхеме LMG5200 образован парой GaN-транзисторов Q1 и Q2 с сопротивлением открытого канала 18 мОм (рис. 4b). Кроме того, микросхема имеет встроенный двухканальный драйвер. Объединение транзисторов и драйвера в одном миниатюрном 9-выводном QFN-корпусе позволяет обеспечить минимальную паразитную индуктивность.

Контроллер TPS53632G использует гистерезисное управление D-CAP+ и имеет ряд особенностей, в частности: режим Valley Current Mode с регулируемым временем включения, быстрый отклик и возможность регулировки скорости нарастания сигналов при переключениях. Контроллер может работать с частотой коммутаций до 1 МГц в паре с подходящим силовым каскадом из GaN-транзисторов. Интерфейс I2C Rev 3.0 необходим для управления выходным напряжением и для мониторинга тока.

На вторичной стороне реализован синхронный выпрямитель с удвоением тока. Как видно из схемы, вторичная обмотка трансформатора не имеет вывода средней точки, в отличие от схемы, представленной на рис. 4b. Вместо этого используется две работающих попеременно индуктивности, каждая из которых берет на себя половину выходного тока. Такая конфигурация усложняет схему, но упрощает конструкцию силового трансформатора, рассеивает меньше энергии и позволяет применять компактные магнитные компоненты.

Для увеличения эффективности и уменьшения рассеиваемой мощности, вместо выпрямительных диодов (см. рис. 4b) используется синхронный выпрямитель, состоящий из пары силовых GaN- транзисторов EPC2023 и двухканального драйвера UCC27523. Сигналы управления для драйвера формирует микросхема TPS53632.

Такая схема имеет гальваническую связь между первичной и вторичной сторонами. Для обеспечения гальванической развязки можно добавить цифровой изолятор, например, ISO7820, между TPS53632 и первичной стороной.

Для оценки эффективности предложенной схемы предлагается использовать оценочный модуль LMG5200POLEVM-10A (EVM) с рабочим диапазоном входных напряжений 36… 75 В и выходным напряжением 0,5…2,5 В. Полная принципиальная схема LMG5200POLEVM-10A представлена в руководстве пользователя.

Рекомендации по трассировке печатных плат

Как уже говорилось ранее, чтобы в полной мере реализовать преимущества GaN-транзисторов, необходимо грамотно скомпоновать и развести печатную плату.

Особенно важно обеспечить минимальные значения паразитных емкостей. Например, требуется минимизировать паразитную емкость между узлом коммутации и землей, а также между узлом коммутации и VIN. При включении транзистора происходит перезаряд этих емкостей, что увеличивает потери при переключениях. Также важно обратить внимание на межслойную емкость в многослойных платах. Кроме того, дополнительную паразитную емкость могут вносить даже радиаторы.

Помехи – это еще одна проблема, возникающая при использовании GaN-транзисторов. Из-за сверхбыстрых переключений GaN-транзисторов происходит генерация мощных помех, способных нарушать работу низковольтных микросхем. Неправильная компоновка печатной платы может приводить к ряду нежелательных эффектов, начиная от ложных включений до сквозных токов и защелкивания.

Рекомендации по компоновке и трассировке печатных плат с GaN-транзисторами подробно рассматриваются в документе TI SNOA946 на примере еще одного полумостового преобразователя, построенного на базе микросхемы LMG3410 со встроенными GaN-ключами с рабочим напряжением 600 В и нагрузочным током до 12 A.

Заключение

GaN-транзисторы предоставляют целый ряд важных преимуществ при построении низковольтных и сильноточных POL-преобразователей для телекоммуникационных и серверных приложений. Однако, чтобы максимально использовать эти преимущества, необходимо обратить внимание на некоторые ключевые аспекты, касающиеся выбора топологии и трассировки печатной платы.

Компания TI предлагает ряд GaN-решений, оценочных плат, руководств по применению и инструментов, которые помогают разработчикам успешно выполнять проектирование силовых устройств.

Предыдущие главы:

  1. GaN-транзисторы. Новая страница в истории силовых схем. Глава 1
  2. GaN-транзисторы. Путь к высокой эффективности в высоковольтных приложениях. Глава 2
  3. GaN-транзисторы. Раскрываем потенциал GaN-транзисторов. Глава 3
Производитель: Efficient Power Conversion (EPC) Corporation
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
EPC2023ENG
Efficient Power Conversion (EPC) Corporation
Арт.: 1904820 ИНФО PDF AN RD DT
Поиск
предложений
Транзистор GaNFET N-Channel, Gallium Nitride 30V 60A Параметры: Drain to Source Voltage (Vdss) 30V Current - Continuous Drain (Id) @ 25°C 60A (Ta) Rds On (Max) @ Id, Vgs 1.3 mOhm @ 40A, 5V Vgs(th) (Max) @ Id 2.5V @ 20mA Input Capacitance (Ciss) @ Vds 2300pF @ 15V
EPC2023ENG
-
Поиск
предложений
Производитель: Texas Instruments
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
LMG5200MOFT
LMG5200MOFT
Texas Instruments
Арт.: 2257831 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
GAN FET DRIVER, HALF-BRIDGE, QFM-9
LMG5200MOFT
-
Поиск
предложений
LMG5200EVM-02
LMG5200EVM-02
Texas Instruments
Арт.: 2287913 ИНФО AN RD
Поиск
предложений
LMG5200 GaN Power Stage Evaluation Module
LMG5200EVM-02
-
Поиск
предложений
LMG5200POLEVM-10
Texas Instruments
Арт.: 3423411 ИНФО RD
Поиск
предложений
LMG5200 GaN 48V to 1V point of load evaluation module
LMG5200POLEVM-10
-
Поиск
предложений

Сравнение позиций

  • ()