Оглавление
О топологии преобразователей имеется достаточно подробных статей, но большинство из них морально устарело, поэтому редакция сайта Радиосхемы считает что с появлением новых материалов для силовых транзисторов тему необходимо обновить.
Выбор принципа действия и топологии проектируемого устройства является основным компромиссом, который рассматривается на начальном этапе работы проектировки. Ниже показаны схемы с формами тока мостового преобразователя, работающего в трех различных режимах: жесткое переключение, мягкое и резонанс. В преобразователях с программным переключением и резонансных преобразователях может потребоваться тщательный баланс потерь на проводимость и переключения, поскольку для поддержания эффективной работы им требуются более высокие пульсирующие токи. Работа в резонансном режиме может дополнительно увеличить действующие перегрузки по току и напряжению, что влияет на выбор компонентов. Эти эффекты можно свести к минимуму, используя смешанный режим, где контроллер подберет оптимальный режим работы исходя из текущих условий.
Режимы работы мостового преобразователя: а) жесткое переключение, b) мягкое переключение — сдвиг фазы, c) мостовой резонансный преобразователь
Основным преимуществом преобразователей с программным переключением и резонансных, является значительное снижение коммутационных потерь за счет переключения при нулевом токе (Zvs) или при переключении (Zcs). Полученная в результате более высокая производительность может быть использована для увеличения частоты коммутации или для снижения требований к охлаждению, что всегда приводит к увеличению удельной мощности. Да и увеличение частоты работы позволяет уменьшить размеры пассивных элементов.
Быстродействующие полупроводниковые компоненты
Достижение высоких удельных мощностей требует использования современных коммутационных элементов, характеризующихся высоким быстродействием и малыми потерями при переключении. В первую очередь это новейшие MOSFET, SiC MOSFET и переключающие транзисторы из нитрида галлия (GaN).
Время перехода из выключенного состояния во включенное у них в несколько раз меньше, чем в элементах старого поколения. В то же время они имеют меньшие потери на переключение.
Для получения лучших параметров разработаны новые корпуса с малой паразитной индуктивностью выводов. Нежелательные индуктивности также должны учитываться разработчиком при работе над конструкцией печатной платы для эффективных источников питания. Минимизация или даже устранение паразитных индуктивностей ограничивает возникновение локальных резонансов, отрицательно влияющих на параметры БП. Еще одним преимуществом является гораздо более точный контроль временных задержек, который в устройствах старого поколения не представлял проблем, но должен учитываться в новом поколении инверторов.
Технология широкой энергетической щели
Стремление к высокой плотности мощности привело к появлению новых технологий, используемых, в частности, для изготовления силовых транзисторов. Одной из важнейших является технология элементов с широкой энергетической щелью. Транзисторы произведенные по этой технологии характеризуются более сильным электрическим полем и большей подвижностью электронов по сравнению с предыдущими технологиями. Параметры нескольких технологий приведены в таблице.
| Сравнение параметров нескольких технологий переключающих транзисторов | ||||
| Si | SiC | GaN | Единицы | |
| Энергия энергетического перерыва | 1,1 | 3,3 | 3,4 | эВ |
| Напряженность поля пробоя | 0,3 | 2,1 | 2,1 | МВ/см |
| Скорость насыщения | 19 | 22 | 25 | ×10 6 см/с |
| Теплопроводность | 1,5 | 5 | 1,3 | Вт/смК |
Энергия энергетической щели эквивалентна энергии отрыва электрона от атома, который после такого события может свободно двигаться, что эквивалентно протеканию электрического тока. В целом можно предположить что большая энергетическая щель означает лучшую предсказуемость поведения элемента и лучшую температурную эффективность.
Ширина энергетической щели при которой разность потенциалов еще не вызывает пробой, пропорциональна напряженности поля пробоя. Данные показывают, что материалы с широкой запрещенной зоной в 7 раз лучше чем кремний. В результате элементы с аналогичными параметрами напряжения могут быть по размерам меньше, а значит электронам приходится проходить более короткий путь во время проводимости.
Следует отметить что скорость насыщения, зависящая от подвижности электронов, эквивалентна их средней скорости, что, в свою очередь, приводит к более высокой скорости переключения и более низкому сопротивлению в открытом состоянии.
Важное свойство полупроводниковых материалов наиболее часто используемых в производстве быстродействующих переключающих элементов показано на рисунке далее.
Как видно, материалы с широкой запрещенной зоной, такие как SiC и GaN, обладают сходными свойствами, значительно превосходящими кремний. Но несмотря на кажущееся сходство обе технологии существенно отличаются друг от друга.
Транзисторы SiC MOSFET очень похожи по конструкции на их чисто кремниевые аналоги, и работают по аналогичному принципу. Напряжение приложенное к затвору заставляет свободные электроны двигаться в обедненную область и создавать проводящий канал. Транзисторы SiC MOSFET и Si MOSFET изготавливаются как по планарной, так и по траншейной технологии. Ток в них течет от верхней поверхности к нижней.
Работа же элементов GaN основана на естественном двумерном электронном газе (свободных электронах) между нелегированным слоем GaN и слоем AlGaN, легированным n. Таким образом базовую конструкцию транзистора пришлось изменить, чтобы создать нормально закрытый транзистор. Он имеет разговорный термин eMode GaN. Этот элемент предпочтителен для энергетических применений.
Еще одним важным отличием является расположение выводов. Технология GaN требует, по крайней мере на данный момент, бокового размещения выводов. Ток при этом течет параллельно поверхности элемента, а поскольку возможность перекрытия электродов стока, затвора и истока должна быть практически исключена, внутренние емкости Cds, Cgs и Cgd сильно меньше.
Принимая во внимание требования к высокой плотности мощности, чрезвычайно малая мощность GaN-переключателей отличает их от конкурирующих решений и делает идеальными для устройств, требующих высокой производительности, частоты и быстрого переключения.
Силовые GaN-транзисторы
Низковольтные транзисторы GaN имеют напряжение пробоя 200 В. В этой группе преобладают нормально закрытые транзисторы, так называемые eMode. Применения высокого напряжения (от 200 до 600 В) требует использования каскадных решений GaN или eMode. Примерная структура этого типа показана ниже. Содержащийся в нем нормально открытый GaN-транзистор соединен последовательно с нормально разомкнутым кремниевым МОП-транзистором низкого напряжения с низким сопротивлением Rdson для формирования нормально разомкнутой цепи.
Правда оно имеет ряд недостатков. Использование двух дискретных транзисторов усложняет корпус, отрицательно влияет на сопротивление в открытом состоянии и увеличивает паразитную индуктивность. Управляющий электрод представляет собой затвор, занимающий относительно большую площадь поверхности конструкции, обеспечивающий запас по амплитуде переходных процессов управляющего напряжения.
К сожалению, этот электрод имеет большую электрическую емкость, что отрицательно сказывается на коммутационных потерях. Сложная конструкция корпуса, особенно соединений, приводит к увеличению индуктивности, что также может отрицательно сказаться на скорости переключения.
Существует также проблема связанная с потенциальными лавинными пробоями кремниевых транзисторов MOSFET, которые могут произойти во время отключения. Кроме того часто наблюдаются ненужные генерации на затворе GaN-транзистора.
GaN-транзистор против Si
Сравнение обеих технологий — GaN и Si, лучше начать со списка критических параметров. В таблице ниже сравниваются параметры транзисторов GaN и MOSFET. Первый столбец содержит название параметра, второй — числовое значение для GaN-транзистора, третий — числовое значение для MOSFET-транзистора, а четвертый показывает, насколько лучше или хуже GaN-элемент по сравнению с MOSFET. Как видите, технология GaN не во всем лучше.
| Сравнение параметров транзисторов на 650 В | |||
| GaN | MOSFET | Эффект | |
| BVDSS(V) | 650 | 650 | 1 |
| ID(A) | 15 | 30 | в 2 раза хуже |
| R DSON (мОм) | 100 | 99 | 1 |
| C ISS (пФ) | 130 | 2270 | 17,5 × лучше |
| СО (ER) (пФ) | 44 | 74 | в 1,7 раза лучше |
| CO(TR) (пФ) | 71 | 500 | 7,0 × лучше |
| C RSS (пФ) | 1 | — | — |
| Q G (нКл) | 3 | 56 | 18,7 × лучше |
| Q GD (нКл) | 0,84 | 23 | в 27 раз лучше |
| VGS,MAX (V) | +7 / −10 | ± 30 | в 4,3 раза хуже |
| VGS,TH (V) | 1,3 | 3,5 | в 2,7 раза хуже |
| RG (Ом) | 1,35 | 0,5 | в 2,7 раза хуже |
Сразу заметен уменьшенный непрерывный номинальный ток GaN-транзистора, который определяется тепловыми соображениями. Сравнение емкости затвора и заряда намного лучше в пользу элементов GaN. Стоит отметить что емкость COSS в элементах GaN практически устранена. Сравнение напряжения невыгодно. Можно сказать что транзисторы GaN более нежные. В зависимости от отдельных технологических нюансов диапазон управляющих напряжений затвора в изделиях разных производителей колеблется от 4,5 до 6,5 В. Это всего на 2 В меньше допустимого напряжения затвора. А изменение параметров GaN гораздо менее чувствительно к температуре по сравнению с Si-элементами, что связано с увеличенной энергетической щелью.
Важным параметром переключающих транзисторов является сопротивление затвора, поскольку оно ограничивает управляющий ток. Но этот параметр во многом зависит от конструктивных решений, не связанных с технологией, поэтому в одних случаях он может быть лучше, в других — хуже.
Зато мощные GaN-транзисторы способны проводить ток в обоих направлениях. Сопротивление канала остается неизменным независимо от направления протекания тока. Если транзистор закрыт, ток от стока к истоку блокируется. В обратном направлении (от истока к стоку) ток может течь как в MOSFET транзисторе через внутренний диод корпуса. В GaN-транзисторах же отсутствует паразитный p-n переход, весь ток протекает через ту область, что и в направлении сток-исток. Разница в том, что падение напряжения исток-сток составляет примерно 3 В в третьей четверти. Отсутствие p-n перехода означает что не накапливается заряд, который не нужно снимать при отключении тока.
Элементы выполненные по технологии GaN отличаются самым высоким усилением (крутизной) среди всех элементов силовой коммутации. Это важно по двум причинам. Очень небольшое изменение напряжения Vgs вблизи порогового напряжения может вызвать большие и быстрые изменения тока транзистора — это большое преимущество для устройств с быстрым переключением питания. Но высокий коэффициент усиления представляет значительную угрозу, если управляющее напряжение не проходит быстро через так называемую линейную площадь. В линейном режиме ток транзистора управляется Vgs, и если напряжение остается около порогового напряжения слишком долго, возможны колебания. По этой причине важно чтоб управляющее напряжение затвора GaN-транзистора имело короткое время нарастания и спада.
Недостатком GaN-технологии по сравнению с кремниевым MOSFET-транзистором является более высокий положительный температурный коэффициент сопротивления Rdson. В результате это сопротивление растет быстрее с увеличением температуры перехода. Для параллельных соединений необходим положительный температурный коэффициент, а более высокое значение приводит к лучшему распределению тока между параллельно включенными транзисторами.
Наиболее невыгодной особенностью технологии GaN выступает очень ограниченная энергия лавинного пробоя. На практике следует следить за тем, чтобы напряжения сток-исток и затвор-исток транзисторов GaN не превышались. Почти во всех случаях в устройствах управления энергопотреблением возникают импульсные напряжения, имеющие достаточную энергию чтобы повредить транзистор.
Выбор топологии и области применения
Недостатком технологии GaN является ограниченная возможность работы с лавинным эффектом. Поэтому устройства должны быть защищены от появления напряжений превышающих номинальные значения. И это относится не только к нормальной работе, но и к таким ситуациям, как: короткие замыкания, переходные процессы, изменения температуры и так далее. Возникающие при этом напряжения непредсказуемы и могут превышать рабочее напряжение, так что в GaN схемах предпочтительнее использовать полумостовую.
Схема эта обеспечивает наилучшую защиту транзисторов GaN от возможных перенапряжений. Верхний транзистор выполняет демпфирующую функцию для транзистора низковольтной стороны. Максимальное перенапряжение для низковольтного транзистора ограничено примерно на 3 вольта выше, чем у накопительного конденсатора (Cbulk). Это избыточное напряжение связано с падением напряжения на выводах исток-сток верхнего силового GaN-транзистора в третьем квадранте по мере того, как ток течет от истока к стоку при V GS = 0 В. Поскольку фиксирующий элемент представляет собой GaN-транзистор, действие зажима происходит очень быстро. Следует помнить, что при обратной проводимости GaN-транзистора не используется ни p-n-переход, ни паразитная составляющая, поэтому отсутствует прямая регенерация, которая могла бы задержать ограничение напряжения на защищенном комплементарном транзисторе в полумостовой топологии.
Еще более предпочтительным является полное отсутствие обратной регенерации в GaN-транзисторах при снятии тока с проводящего транзистора в третьей четверти. В схемах с МОП-транзисторами это называется принудительной коммутацией внутреннего диода. Такая работа силового МОП-транзистора приводит к серьезным потерям, которые в конечном итоге могут привести к его выходу из строя. Чтобы свести к минимуму эту проблему, в силовые МОП-транзисторы были введены дополнительные быстродействующие регенеративные диоды, но эти транзисторы имеют несколько более высокое сопротивление Rdson для структуры того же размера.
Дополнительным преимуществом использования двух GaN-переключателей в полумостовой схеме является автоматическое уменьшение паразитных индуктивностей в контуре по которому протекает коммутируемый ток. Этот контур состоит из двух переключателей и высокочастотного шунтирующего конденсатора (CHF).
Небольшие размеры и низкая индуктивность корпусов GaN-транзисторов помогают минимизировать индуктивность контура, обеспечивая наилучшие характеристики переключения, поэтому полумостовые схемы наиболее популярны в GaN устройствах. На рисунках показаны различные их виды. Полумосты отмечены красным цветом.
Безмостовая схема коррекции мощности (PFC)
В схемах коррекции мощности (PFC) наиболее популярными являются безмостовые решения с выходом с так называемым тотемным полюсом. Одна ветвь (полумост) входного каскада работает на частоте сети и может быть реализована с использованием диодов или полевых МОП-транзисторов. Вторая работает с более высокой частотой, которая определяет рабочую частоту преобразователя и размер дросселя. Если требуются малые габариты и высокая производительность, этот полумост реализуется на основе силового GaN-транзистора.
Рассматриваемая схема может работать в режиме граничной проводимости с переменной частотой. В таком случае может быть использована входная катушка небольших размеров, но с большим током пульсаций при заданной выходной мощности. Используя соответствующий алгоритм управления быстрая ветвь может переключиться на ноль для обоих транзисторов GaN. Меньшая катушка индуктивности и мягкое переключение позволяют работать на более высоких частотах без больших потерь при переключении, что естественно позволяет достичь более высокой удельной мощности.
Если требуется небольшой пульсирующий ток через катушку, схема работает с постоянной частотой, а повышающая катушка остается в режиме CCM большую часть цикла. В этом режиме происходит жесткое переключение, при котором переключатель выпрямителя все еще проводит ток, когда главный переключатель включен (в положительном цикле нижний переключатель является главным переключателем, а нижний действует как выпрямитель). Это было бы очень нежелательно в случае МОП-транзисторов, поскольку вызвало бы принудительную коммутацию внутреннего диода. Поскольку в GaN-транзисторах отсутствует эффект накопления заряда и регенерации, возможно жесткое переключение даже на высоких частотах.
Преобразователь с двусторонним активным мостом (DAB)
Далее показан преобразователь с двунаправленным активным мостом (DAB). Конструкция основана на двух компоновках полного моста. Это решение идеально подходит для использования в зарядных устройствах с транзисторами GaN, характеризующимися высокой удельной мощностью. В зависимости от требуемого направления потока мощности одна из мостовых схем может быть управляемой или выпрямительной.
Кроме того, преобразователь обеспечивает работу по полному мосту, в которой можно использовать относительно простой трансформатор, имеющий две обмотки с одинаковым числом витков, и его легко оптимизировать для работы на высоких частотах.
Стоит отметить что мостовые решения с транзисторами GaN часто используются в беспроводных зарядных устройствах. Это определяется рабочей частотой, которая обычно составляет 6,5 МГц и 13 МГц. На этих частотах GaN-транзисторы обладают гораздо лучшими характеристиками, чем кремниевые транзисторы.
В некоторых случаях реализация GaN позволяет напрямую управлять зарядной катушкой от высокого напряжения, что устраняет промежуточный этап обработки, опять-таки повышая эффективность и удельную мощность.
LLC Полумостовой резонансный преобразователь
Преобразователь показанный далее представляет собой хорошо известную конструкцию LCC, в которой используется первичная полумостовая структура для управления резонансным контуром LLC. В установившемся режиме, при нормальной работе, переключение первичного полумоста происходит при нулевом напряжении, а вторичные синхронные ключи переключаются при нулевом токе. Благодаря мягкому переключению такой преобразователь может работать с высоким КПД на умеренно высоких частотах даже с MOSFET-транзисторами.
Использование транзисторов GaN на первичной стороне и дополнение их на вторичной стороне синхронным выпрямителем GaN, может дополнительно увеличить КПД и рабочую частоту, что дает возможность уменьшить размер устройства.
Преобразователи LLC довольно часто используются в источниках питания с высокой плотностью мощности и низкопрофильных БП, например, в экранах LED телевизоров. Преобразователи большей мощности часто устанавливаются в телекоммуникационном оборудовании и блоках питания серверов.
Преобразователь обратного хода Active Clamp
Обратноходовые преобразователи с активным зажимом известны достаточно давно, но пока не получили широкого распространения, в основном из-за сложности второго управляемого ключа. Как вы уже догадались, интерес к этому решению снова возрос с появлением транзисторов GaN.
Обратноходовые преобразователи с активным ограничением идеально подходят для построения полумоста GaN, поскольку оба устройства соединены последовательно с входным накопителем энергии и конденсатором ограничения. Небольшие емкости полупроводников GaN облегчают достижение нулевого переключения для более широкого диапазона входного напряжения и нагрузки. Нулевое переключение и соответствующий синхронный выпрямитель GaN обеспечивают сдвиг частоты в мегагерцовый диапазон. Поэтому размеры трансформатора и конденсатора также могут быть уменьшены. Обратноходовые преобразователи с активными зажимами в настоящее время используются в основном в портативных зарядных устройствах с высокой удельной мощностью, а также в небольших источниках питания.
Резонансные преобразователи с высокой рабочей частотой
Транзисторы GaN используются в ещё одной группе преобразователей — это устройства работающие на частотах от 20 до 100 МГц. Примерная топология показана на рисунке. Это конфигурация класса DE, в которой GaN-транзисторы работают на очень высоких частотах. Он обеспечивает нужное затухание в ответвлении GaN моста, и с него не видны высокие напряжения, что часто неизбежно в резонансных цепях при ненормальных рабочих условиях.
Хотя инвертор класса DE не изолирован, можно создать такую схему с разделительным трансформатором, что позволит использовать ее в автономных устройствах. Чаще всего такие схемы используются в высокоэффективных осветительных приборах.
Синхронный понижающий преобразователь
Одной из самых популярных конфигураций является понижающий преобразователь. Он обеспечивает идеальные рабочие условия для полумоста GaN, размещая его параллельно входному накопительному конденсатору.
GaN-переключатели в качестве синхронных выпрямителей
На рисунке ниже синхронные выпрямители выделены красным цветом. Синхронное выпрямление является особым случаем во многих применениях GaN-транзисторов, поскольку оно не совместимо с желаемыми структурами с полной фиксацией. Тем не менее, ключи GaN популярны в схемах синхронного выпрямления, поскольку обеспечивают самые короткие задержки включения и выключения и лучшую точность синхронизации. Во многих случаях стремление к высокой скорости превосходит ожидания полной защиты от перенапряжения в схеме, хотя почти идеальная точность синхронизации, которая может быть достигнута с помощью транзисторов GaN, помогает избежать или хотя бы уменьшить перенапряжения для синхронных выпрямителей.
Конфигурации синхронных выпрямителей а) обратноходовой активный зажим, b) резонансный полумост LLC, c) переключатель Switch Forward
Рекомендации по использованию GaN транзисторов
Транзисторы GaN — это элементы, которые обеспечивают очень высокую скорость и производительность, но их необходимо правильно использовать. Предпосылкой для достижения высокой эффективности является применение пассивных элементов высокого качества и строгое соблюдение правил проектирования. Поэтому в самом начале следует отказаться от однослойной печатной платы на которой элементы будут собираться методом сквозных отверстий. Такая печатная плата не обеспечит требуемых малых индуктивностей соединений и не подходит для высокочастотных цепей. Технология GaN также требует высокой плотности упаковки, что отражается на размерах корпусов всех компонентов. В большинстве случаев необходимо проектировать печатные платы на четырехслойных платах с высокой плотностью путей. Другие важные моменты:
- расстояние между входным конденсатором и переключателем GaN должно быть небольшим, а соединение должно быть прямым,
- ключевой узел должен быть небольшим, прямым и изолированным,
- PGND действует как радиатор для транзисторов GaN,
- если для охлаждения используется несколько слоев, используйте тепловые переходы,
- пути для входных и управляющих сигналов должны быть короткими, прямыми и одинаковой длины; выходной путь должен совпадать с обратным путем, эти пути должны располагаться на соседних слоях с минимальным расстоянием.
Еще одним важным соображением является заземление и расположение силовых плоскостей. Даже с четырьмя слоями надлежащее разделение земли для сигнальных и силовых путей может быть проблемой. То же самое с идентификацией и разделением петель сильного тока и петель коммутируемого. При проектировании линий придерживайтесь следующих правил:
- использование отдельных заземляющих плоскостей для сигнала и питания, подключение их только в одной точке с соединением звездой,
- свести к минимуму контур подачи, где это возможно, использовать соседние плоскости для пути подачи и возврата,
- обеспечить контрольные точки для ключевых сигналов.
Таким образом на сегодня важнейшим критерием оценки источников питания является удельная мощность. Высокое значение этого параметра в данном устройстве обычно означает значительный экономический эффект. Получение высоких плотностей мощности стало возможным благодаря внедрению новых технологий изготовления компонентов, таких как SiC и GaN. Очевидно данные технологии еще долго будут доминировать в источниках питания и силовых преобразователях, подобно тому как раньше ставили биполярные транзисторы, IGBT и MOSFET.
