الجاليوم التكنلوجيا هو عامل تمكين حقيقي لمراحل الطاقة ، حيث يوفر اليوم أداءً لم يكن من الممكن تصوره في العقد الماضي. يتم الحصول على أقصى أداء وفوائد من GaN فقط عندما يتطابق سائق البوابة مع نفس درجة الأداء والابتكار مثل الترانزستورات. بعد سنوات عديدة من البحث والتطوير ، تغلبت MinDCet على المزالق في قيادة بوابة GaN من خلال تقديم سائق البوابة MDC901.
المُقدّمة
منذ إدخال أول ترانزستورات نيتريد الغاليوم (GaN) منذ أكثر من عشر سنوات ، أصبحت مزاياها في إلكترونيات الطاقة معروفة جيدًا. في الواقع ، توفر خصائص المواد لـ GaN سعات طفيلية أقل لمقاومة معينة ، وعابرات التبديل السريع المتأصلة ، ونقص الاسترداد العكسي والقدرة على التشغيل في درجات الحرارة العالية. يبدو أن هذه الخصائص الممتازة هي مزيج مثالي لمحولات الطاقة عالية الأداء.
ومع ذلك ، يجب النظر في جانبين مهمين لتحقيق إمكانات أداء GaN. أولاً ، من المفهوم الشائع أن قدرة التحويل العابر السريع في GaN ستؤدي مباشرة إلى ترددات تحويل أعلى بشكل كبير وبالتالي ، كفاءات أعلى. عندما يتم تبديل GaN بالسرعة المثلى ، فإنه سيُظهر بالفعل خسائر تحويل أقل مقارنةً بـ MOSFET التكنلوجيا، لتردد معين. السبب الرئيسي لانخفاض خسائر تحويل GaN نسبيًا هو انخفاض الوقت أثناء عملية التبديل العابرة، وهو الوقت الذي الجهد االكهربى والتيار موجودان في نفس الوقت عبر المفتاح وعبره. تزداد خسائر جول الناتجة عن فقدان التبديل هذا خطيًا مع التردد. في النهاية ، عند تشغيل GaN بترددات تحويل أعلى بشكل متزايد ، قد تصبح كفاءة GaN الناتجة مساوية أو من المحتمل أن تكون أقل من a MOSFETالمحول القائم. على الرغم من وجود فوائد متناقصة لكفاءة الجاليوم في ترددات التحويل الأعلى ، فإن المحولات القائمة على GaN تستفيد أيضًا من استخدام خاملة تخزين أصغر ، والتي تعادل كثافة طاقة أعلى.
الشكل 1: الكفاءة المقاسة كدالة لتيار الخرج لمحول باك قائم على 48V إلى 3.3V GaN ، بترددات تحويل مختلفة.
يتضح هذا التأثير من خلال محول باك تنحي من 48 فولت إلى 3.3 فولت ، مبني حول محرك البوابة MinDCet MDC901 ، ونصف جسر GaN Systems GS61008P وقوة WE-HCF 1.4uH / 31.5A مغو، كما هو موضح في الشكل 5. تستفيد دورة عمل المحول المنخفضة من السرعات العابرة للتبديل السريع، مما يؤدي إلى زيادة الكفاءة بنسبة 10 إلى 15 بالمائة مقارنة بما يعادلها MOSFETمحول قائم على نفس تردد التبديل. يوضح قياس محول باك في الشكل 1 أنه على الرغم من قدرات GaN، فإن كفاءة التحويل تنخفض مع زيادة تردد التبديل. بالفعل عند ترددات التحويل المعتدلة البالغة 300 كيلو هرتز، يمكن ملاحظة انخفاض واضح في الكفاءة بنسبة 1 بالمائة تقريبًا لكل 100 كيلو هرتز إضافية في تردد التبديل على الترددات المقاسة من 300 إلى 700 كيلو هرتز.
بالنسبة لمحول باك 48 فولت إلى 12 فولت ، تتغير هذه المقايضة. عند فحص الشكل 2 ، تستفيد كفاءة محول GaN من تردد تحويل أعلى عند الأحمال المنخفضة إلى المتوسطة (حتى حوالي 10 أمبير) على مدى 300 إلى 700 كيلو هرتز. وتجدر الإشارة إلى أن المحرِّض المحدد له تأثير على كفاءة المحول. يجب توخي الحذر عند إجراء المقايضات الصحيحة في تصميم المحول القائم على GaN.
الشكل 2: الكفاءة المقاسة كدالة لتيار الخرج لمحول باك قائم على 48V إلى 12V GaN ، بترددات تحويل مختلفة.
ثانيًا ، لتمكين الفوائد الجوهرية الحقيقية لـ GaN ، من الضروري التبديل بسرعات عابرة عالية. القيم من 10V / ns حتى 100V / ns وما بعدها ممكنة. المكون الرئيسي المسؤول عن السرعة العابرة هو سائق البوابة. بطبيعة الحال ، يجب تنفيذ تصميم الدائرة المناسب ، وتحديداً توجيه الطاقة وتوجيه حلقة البوابة وفصل الاقتران ، لتمكين سائق البوابة و GaN من القيام بعملهم على النحو الأمثل. بشكل عام ، قد يتمكن برنامج تشغيل بوابة MOSFET القياسي في حالات فريدة من قيادة GaN ، ولكن لن يتم الوصول إلى الأداء الأمثل. نتيجة لذلك ، يتم فقدان فوائد استخدام GaN جزئيًا. يجب أن يفي سائق البوابة الذي يقوم بتبديل GaN بسرعات عابرة عالية بمتطلبات محددة بينما يتعرض في نفس الوقت لضغوط كبيرة. لا يمكن تلبية هذه المتطلبات الصارمة إلا بواسطة سائق بوابة تم تطويره بعناية للعمل مع GaN.
مزالق لتعليم قيادة السيارات بوابة GaN
تتمتع ترانزستورات GaN في تطبيقات الطاقة بالكثير من الإمكانات: كفاءة طاقة أعلى ، كثافة طاقة أعلى ، تصميم محتمل للحرارة / بدون مروحة ، ... ومع ذلك ، يتطلب الحصول على أقصى فائدة من مرحلة GaN قيادة دقيقة ، وتجنب المزالق على طول الطريق.
معدلات ارتفاع كبيرة
إن قيادة ترانزستورات GaN غامضة للغاية. يتم اختيار هذه الأجهزة لمعدلات جهدها الكبير بطبيعتها (التي تزيد عن 100 فولت / نانو ثانية) ، مما يؤدي إلى خسائر تحويل منخفضة للغاية (الخسائر المتكبدة عندما لا تكون Vds و IDs صفرية) يؤدي التبديل السريع بين الترانزستورات المنخفضة والمرتفعة إلى تبديل تيار الحمل بسرعة كبيرة بين الحمل والجهد الداخل (مثل تطبيقات محول باك). هذا يفرض قيودًا صارمة على فصل جهد ناقل ، مثل ثنائي الفينيل متعدد الكلور المسارات إلى نصف الجسر تسبب التجاوز ، محددة للغاية بواسطة محاثة حلقة الحافلة. بالإضافة إلى ذلك ، تضخ معدلات التدفق المرتفعة تيارات ذروة كبيرة في مسار قيادة البوابة من خلال سعة مصدر التصريف للترانزستور خارج الحالة.
تشغيل الطفيليات
في تكوين نصف الجسر ، يمكن أن يحدث التشغيل الطفيلي للترانزستور الذي تم إيقاف تشغيله ، عندما يزداد جهد مصدر التصريف فجأة إلى جهد الناقل ، إما بشكل نشط عن طريق الترانزستور المقابل أو بشكل استقرائي من خلال تيار الحمل. سيتم تحويل هذا التيار إلى جهد بوابة غير صفري بواسطة كل من الممانعة المنسدلة لسائق البوابة ومحاثة حلقة مصدر البوابة. إذا كان هذا الجهد أعلى من عتبة الجهد ، فسيحدث تيار متقاطع بين مفاتيح الجانب العالي والجانب المنخفض للجسر نصف. يكون محاثة حلقة البوابة المنخفضة ممكنًا فقط في التكامل المشترك المترابط بين powerstage وسائق البوابة ، حيث يكون من المستحسن جدًا وجود مسار سحب لأسفل وسحب منفصل لكل ترانزستور GaN. Dead-Time الوقت الميت في نصف جسر هو الوقت بين حدث إيقاف تشغيل ترانزستور واحد وحدث تشغيل ترانزستور الجسر التكميلي. السيطرة الحبيبية على الوقت الميت أمر ضروري. سيؤدي وقت قصير جدًا من الوقت الميت إلى خسائر زائدة حيث يتم تفريغ سعة مصدر تصريف GaN بواسطة GaN التكميلي. يحدث تبديل الجهد الصفري في أوقات التوقف الأكبر ، مما يسمح للمحث بتفريغ سعة مصدر التصريف (في محول باك). وبالتالي ، هذه الطاقة لا تتبدد. ستؤدي الأوقات الميتة الطويلة جدًا إلى حدوث خسائر أكبر نظرًا لأن التوصيل العكسي لـ GaN بصفر Vgs يخضع لانخفاض جهد أكبر (يبلغ بضعة فولتات) مقارنةً بصمام ثنائي. تؤدي الأوقات الميتة الثابتة إلى كفاءة دون المستوى الأمثل ويجب ضبطها على الوقت الميت المناسب لأدنى حد من الخسارة ، والتي تعتمد بشكل كبير على التطبيق.
الشحن الزائد للبوابة
في تطبيقات محرك البوابة غير المعزولة، غالبًا ما يتم توفير مشغل البوابة من خلال التمهيد لإمدادات الجهد المنخفض. ستقوم هذه التقنية بشحن فصل إمداد سائق البوابة العالية الجانب مكثف من خلال صمام ثنائي سريع عالي الجهد. يؤدي هذا إلى توليد جهد عائم يستخدم لتزويد جميع الدوائر العائمة المستخدمة لقيادة المحرك المسبق عالي الجانب. كما هو موضح من قبل، فإن الوقت الميت غير الصفري سوف يتسبب في انخفاض جهد مصدر التصريف لترانزستور GaN منخفض الجانب - اعتمادًا على اتجاه الحجم الحالي للحمل - إلى أقل من الصفر. يؤدي هذا بشكل فعال إلى شحن مكثف التمهيد بما يتجاوز مصدر الإدخال. من المعروف أن بوابة GaN حساسة للجهد الزائد للبوابة، وبالتالي تحتاج البوابة إلى الحماية ضد الشحن الزائد لضمان موثوقية المحول. من الناحية العملية، يتم تقليل ذلك من خلال استخدام هياكل التثبيت، على حساب زيادة استهلاك الطاقة لسائق البوابة وعقارات ثنائي الفينيل متعدد الكلور مع فعاليتها المحدودة بسبب طفيليات ثنائي الفينيل متعدد الكلور.
عملية الجهد الناتج السلبي
يعتمد التأرجح السلبي لجهد محرك الخرج على تحريض المصدر الطفيلي وظروف تحميل محول الطاقة ، والتي يمكن التنبؤ بها بشكل سيئ. للتشغيل الذي يمكن التنبؤ به ، يلزم ضمان إمكانية التحكم بجسر المحول دائمًا ، حتى عندما يكون الجهد سالبًا مقارنةً بأسباب الإمداد. في ناقل الحركة المستوي المقترن بالتيار المستمر ، يجب اتخاذ احتياطات خاصة للسماح بالتشغيل تحت أرض الإمداد.
عملية دورة الخدمة العالية
يعد التشغيل Bootstrapped لبرنامج تشغيل البوابة وسيلة بسيطة وفعالة لتوفير شحنة للتحكم في الترانزستور عالي الجانب ، على سبيل المثال ، في نصف جسر. لا مفر من وجود تسرب يعتمد على درجة الحرارة وتحيز لدعم الدوائر المطلوبة في نظام التشغيل المسبق - مما يؤدي إلى تسرب جهد التمهيد بعيدًا. إذا انخفض جهد التمهيد عن حد أدنى معين من الجهد (غالبًا ما يتم مراقبته من خلال دائرة الكشف عن الجهد المنخفض على متن الطائرة) ، فقد تعمل الدائرة السابقة على نحو خاطئ وفي أسوأ الحالات تكون ضارة بالمحول. بالنسبة لتطبيق السعة التمهيدية ومحول الطاقة ، فإن هذا يحدد الحد الأقصى لدورة العمل التي يمكن صيانتها أو تحديد عمق التعديل الذي يمكن استخدامه.
إجابة MinDCet: تتطلب تطبيقات MDC901 عالية الكثافة وعالية الطاقة والتبديل السريع نظام GaN powerstage - حيث يلزم وجود برنامج تشغيل محدد لضمان القيادة الموثوقة وحماية مرحلة GaN القيمة.
لمعالجة المزالق الموصوفة سابقًا وتوفير متطلبات أداء GaN ، قدمت MinDCet محرك البوابة MDC901 GaN. يوفر الرسم التخطيطي للكتل الموضح في الشكل 4 نظرة عامة على الوظيفة الرئيسية ، وحل المشكلات الرئيسية الموضحة في الأقسام السابقة.
تسمح مسارات السحب لأعلى والسحب المنفصلة بضبط سرعة الدوران وبالتالي معدل الدوران لمرحلة الإخراج مع الحفاظ على مسار سحب مقاومة منخفض لترانزستور GaN. هذا يحافظ على جهد مصدر البوابة تحت السيطرة في حالة إيقاف التشغيل وتجنب التشغيل الطفيلي ، حتى في ظل التيارات السعوية العالية لبوابة التصريف.
يمكن ضبط الوقت المحدد للتشغيل والإيقاف من خلال سلسلة من المدخلات الرقمية. يسمح هذا بضبط ثابت للوقت الميت لتطبيق معين أو بالاقتران مع وحدة تحكم ، يمكن إجراء ذلك ديناميكيًا لتحقيق الكفاءة المثلى. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن ضبط الوقت الميت في الوضع التلقائي. تستشعر الحلقة المغلقة الفولتية لبوابة GaN ويتم تشغيل البوابة فقط عند إيقاف تشغيل بوابة GaN التكميلية. هذا هو وضع التشغيل الآمن من الفشل.
يتم حل مخاطر الشحن الزائد للبوابة أثناء تشغيل الجهد السالب عن طريق وضع منظمات عائمة بالكامل في كل من المجال الجانبي والجانب المنخفض بعد الصمام الثنائي للتمهيد. ينتج عن هذا جهد سائق بوابة محدد جيدًا ومحمي بقوة.
الشكل 4: مخطط الكتلة لبرنامج تشغيل البوابة MDC901 GaN.
الشكل 5: لوحة التقييم نصف جسر MDC901V.
يتم ضمان تشغيل جهد الخرج السلبي حتى -4 فولت ، مما يسمح بالتحكم الدقيق في البوابة حتى في ظل التيارات الحثية العالية. تم استيعاب ذلك من خلال ناقل مستوى مصمم خصيصًا وتوليد إمداد عائم.
بالنسبة لتطبيقات دورة الخدمة العالية (مثل محركات المحركات ومكبرات الصوت من الفئة D) ، من الضروري الحفاظ على جانب مرتفع في الحالة لفترات زمنية أطول. تم تنفيذ هذه الوظيفة بواسطة مضخة شحن متكاملة ، لتعويض انحياز التيار المستمر تحت ظروف دورة العمل بنسبة 100٪.
يوفر MDC901 حلاً متطورًا وغنيًا بالميزات لقيادة ترانزستورات GaN بطريقة موثوقة لتحقيق أقصى قدر من الأداء في التطبيق المحدد. تم تطوير برنامج التشغيل لحلول DC-DC ، ولكن يمكن استخدامه لجميع تطبيقات القيادة GaN الأخرى مثل LIDAR ، وبرامج تشغيل المحركات ، و إلكتروني تتطلب تطبيقات الصمامات القدرة الحقيقية بجهد 200 فولت. لتمكين التصميم السهل والسريع لبرنامج تشغيل البوابة MDC901 في مجموعة متنوعة من التطبيقات ، تم تطوير لوحة تقييم نصف جسر 100 فولت في طوبولوجيا محول باك ، كما هو معروض في الشكل 5 ، لمساعدة مصممي إلكترونيات الطاقة.
استنتاجات
يتطلب تمكين الفوائد الحقيقية لمراحل طاقة GaN تنفيذ محرك بوابة محسن مصمم خصيصًا للعمل مع ترانزستورات GaN. نتيجة لذلك ، يمكن دفع GaN إلى أقصى الحدود ، مما يؤدي إلى تحقيق أعلى أداء ممكن ، والذي يوفر أقصى عائد على الاستثمار التكنولوجي والنقدي. يوفر محرك البوابة المنفصل مثل MDC901 للمستخدم المرونة والتشخيص ومجموعة الميزات الموسعة لاختيار أفضل ترانزستورات GaN المناسبة للتطبيق المحدد.