Gan teknologi adalah pendorong sejati untuk tahapan kekuasaan, hari ini memberikan kinerja yang tidak terpikirkan dalam dekade sebelumnya. Kinerja dan manfaat maksimum dari GaN diperoleh hanya jika driver gerbang cocok dengan tingkat kinerja dan inovasi yang sama seperti transistor. Setelah bertahun-tahun melakukan penelitian dan pengembangan, MinDCet telah mengatasi masalah dalam mengemudi gerbang GaN dengan memperkenalkan pengemudi gerbang MDC901.
Pengantar
Sejak diperkenalkannya transistor gallium nitride (GaN) pertama lebih dari sepuluh tahun yang lalu, keunggulannya dalam elektronika daya telah menjadi terkenal. Memang, sifat material GaN menawarkan kapasitansi parasit yang lebih rendah untuk resistansi yang diberikan, transien peralihan cepat yang melekat, kurangnya pemulihan balik, dan kemampuan operasi suhu tinggi. Properti luar biasa ini tampaknya merupakan kombinasi sempurna untuk konverter daya berperforma tinggi.
Namun, dua aspek penting harus diperhatikan untuk mencapai potensi kinerja GaN. Pertama, ini adalah konsep umum bahwa kemampuan switching transien cepat GaN akan secara langsung menghasilkan frekuensi switching yang jauh lebih tinggi dan menghasilkan efisiensi yang lebih tinggi. Ketika GaN diaktifkan pada kecepatan optimal, itu memang akan menunjukkan kerugian peralihan yang lebih rendah dibandingkan dengan MOSFET teknologi, untuk frekuensi tertentu. Alasan utama kerugian peralihan GaN yang relatif lebih rendah adalah berkurangnya waktu selama transien peralihan, waktu ketika tegangan dan arus hadir secara bersamaan di atas dan melalui sakelar. Kerugian Joule yang disebabkan oleh kerugian switching ini meningkat secara linier dengan frekuensi. Akhirnya, saat mengoperasikan GaN pada frekuensi switching yang semakin tinggi, efisiensi GaN yang dihasilkan mungkin sama atau berpotensi lebih rendah dari a MOSFETkonverter berbasis. Meskipun ada manfaat efisiensi yang berkurang dari GaN pada frekuensi switching yang lebih tinggi, konverter berbasis GaN juga mendapat manfaat dari penggunaan pasif penyimpanan yang lebih kecil, yang setara dengan kepadatan daya yang lebih tinggi.
Gambar 1: Efisiensi terukur sebagai fungsi dari arus keluaran untuk konverter buck berbasis GaN 48V ke 3.3V, pada frekuensi switching yang berbeda.
Efek ini ditunjukkan dengan konverter buck step-down 48V ke 3.3V, dibangun di sekitar driver gerbang MinDCet MDC901, setengah jembatan GaN Systems GS61008P dan daya WE-HCF 1.4uH / 31.5A Induktor, seperti yang digambarkan pada Gambar 5. Siklus kerja konverter yang rendah mendapat manfaat dari kecepatan peralihan peralihan yang cepat, sehingga menghasilkan peningkatan efisiensi sebesar 10 hingga 15 persen dibandingkan dengan efisiensi yang setara. MOSFETkonverter berbasis pada frekuensi switching yang sama. Pengukuran buck converter pada Gambar 1 menunjukkan bahwa meskipun ada kemampuan GaN, efisiensi konversi menurun seiring dengan meningkatnya frekuensi switching. Pada frekuensi switching sedang sebesar 300 kHz, penurunan efisiensi hampir 1 persen setiap tambahan 100 kHz pada frekuensi switching dapat diamati pada frekuensi terukur dari 300 hingga 700 kHz.
Untuk konverter buck 48V ke 12V, trade-off ini berubah. Memeriksa Gambar 2, efisiensi konverter GaN mendapat manfaat dari frekuensi switching yang lebih tinggi pada beban rendah hingga sedang (hingga sekitar 10A) selama rentang 300 hingga 700 kHz. Yang perlu diperhatikan adalah induktor yang dipilih berdampak pada efisiensi konverter. Perhatian harus diberikan dalam membuat trade-off yang tepat dalam desain konverter berbasis GaN.
Gambar 2: Efisiensi terukur sebagai fungsi dari arus keluaran untuk konverter buck berbasis GaN 48V ke 12V, pada frekuensi switching yang berbeda.
Kedua, untuk mengaktifkan manfaat intrinsik GaN yang sebenarnya, perlu untuk beralih pada kecepatan transien tinggi. Nilai dari 10V / ns hingga 100V / ns dan seterusnya dimungkinkan. Komponen utama yang bertanggung jawab atas kecepatan transien adalah driver gerbang. Secara alami, desain sirkuit yang tepat, khususnya perutean daya, perutean loop-gerbang dan decoupling, perlu diterapkan untuk memungkinkan pengemudi gerbang dan GaN melakukan pekerjaannya secara optimal. Secara umum, driver gerbang MOSFET standar mungkin dalam kasus unik dapat menggerakkan GaN, tetapi kinerja yang optimal tidak akan tercapai. Akibatnya, sebagian manfaat menggunakan GaN hilang. Pengemudi gerbang yang mengalihkan GaN pada kecepatan transien tinggi harus memenuhi persyaratan khusus sekaligus mengalami tekanan yang signifikan. Persyaratan ketat ini hanya dapat dipenuhi oleh pengemudi gerbang yang dikembangkan dengan cermat untuk bekerja dengan GaN.
Kesulitan untuk GaN Gate-Driving
Transistor GaN dalam aplikasi daya memiliki banyak potensi: efisiensi daya yang lebih tinggi, kepadatan daya yang lebih tinggi, potensi desain heat-sink / fan-less,… Namun mendapatkan manfaat maksimal dari tahap GaN membutuhkan mengemudi yang hati-hati, menghindari jebakan di sepanjang jalan.
Tarif Perubahan Tinggi
Mengemudi transistor GaN sangat ambigu. Perangkat ini dipilih karena laju perubahan tegangan tegangannya yang besar (lebih dari 100V / ns), yang menyebabkan kerugian switching yang sangat rendah (kerugian terjadi saat Vds dan Id tidak nol). Peralihan cepat antara transistor sisi rendah dan tinggi menyebabkan arus beban berpindah dengan sangat cepat antara beban dan tegangan input (misalnya aplikasi konverter buck). Hal ini menimbulkan kendala keras pada decoupling tegangan bus, seperti PCB trek ke setengah jembatan menyebabkan overshoot, sangat ditentukan oleh induktansi loop bus. Selain itu, laju perubahan tegangan tinggi menyuntikkan arus puncak yang besar ke jalur penggerak gerbang melalui kapasitansi sumber drain dari transistor off-state.
Penyalaan Parasit
Dalam konfigurasi setengah jembatan, parasitic turn-on dapat terjadi pada transistor yang dimatikan, ketika tegangan sumber drainnya tiba-tiba meningkat ke tegangan bus, baik secara aktif oleh transistor lawan atau secara induktif melalui arus beban. Arus ini akan diubah menjadi tegangan gerbang bukan nol baik oleh impedansi pull-down driver gerbang dan induktansi loop sumber gerbang. Jika tegangan ini lebih tinggi dari tegangan ambang, arus silang akan terjadi antara sakelar sisi tinggi dan sisi rendah dari jembatan setengah. Induktansi loop gerbang rendah hanya mungkin dalam kointegrasi monolitik powerstage dan driver gerbang, di mana jalur pull-down dan pull-up yang terpisah untuk setiap transistor GaN sangat diinginkan. Dead-Time Dead-time di setengah jembatan adalah waktu antara peristiwa mematikan satu transistor dan peristiwa hidup transistor jembatan komplementer. Pengendalian terperinci atas waktu mati sangat penting. Waktu mati yang terlalu singkat akan menyebabkan kerugian berlebih karena kapasitansi sumber-drain GaN dibuang oleh GaN pelengkap. Sakelar tegangan nol terjadi pada waktu mati yang lebih besar, memungkinkan kapasitansi sumber-drain dilepaskan oleh induktor (dalam konverter uang). Akibatnya, energi ini tidak hilang. Waktu mati yang terlalu lama akan menyebabkan kerugian yang lebih besar karena konduksi balik dari GaN dengan nol Vgs akan mengalami penurunan tegangan yang lebih besar (beberapa volt) dibandingkan dengan dioda. Waktu mati yang tetap mengarah pada efisiensi yang kurang optimal dan harus disetel ke waktu mati yang tepat untuk kerugian minimal, yang sangat bergantung pada aplikasi.
Pengisian Gerbang Berlebih
Dalam aplikasi penggerak gerbang non-terisolasi, penggerak gerbang sering kali disuplai melalui bootstrap dari suplai tegangan rendah. Teknik ini akan membebankan biaya decoupling suplai driver gerbang sisi tinggi kapasitor melalui dioda tegangan tinggi yang cepat. Ini menghasilkan tegangan mengambang yang digunakan untuk menyuplai semua sirkuit mengambang yang digunakan untuk menggerakkan predriver sisi tinggi. Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya, waktu mati yang bukan nol akan menyebabkan tegangan sumber pengurasan transistor GaN sisi rendah – bergantung pada arah besaran arus beban – turun di bawah nol. Hal ini secara efektif menyebabkan kapasitor bootstrap mengisi daya melebihi pasokan input. Gerbang GaN dikenal sangat sensitif terhadap tegangan lebih gerbang, oleh karena itu gerbang memerlukan perlindungan terhadap pengisian daya berlebih untuk memastikan keandalan konverter. Dalam praktiknya, hal ini dikurangi melalui penggunaan struktur penjepit, dengan mengorbankan peningkatan konsumsi daya penggerak gerbang dan real estat PCB yang efektivitasnya dibatasi oleh parasit PCB.
Operasi Tegangan Output Negatif
Ayunan negatif tegangan driver keluaran bergantung pada induktansi sumber parasit dan kondisi beban konverter daya, yang dapat diprediksi dengan buruk. Untuk operasi yang dapat diprediksi, jaminan bahwa jembatan konverter selalu dapat dikontrol, bahkan ketika tegangan negatif dibandingkan dengan sumber pasokan. Pada level-shifter gabungan DC, tindakan pencegahan khusus harus dilakukan untuk memungkinkan pengoperasian di bawah arde suplai.
Operasi Siklus Tugas Tinggi
Operasi bootstrap dari driver gerbang adalah cara yang sederhana dan efektif untuk menyediakan muatan untuk mengontrol transistor sisi tinggi, misalnya, di jembatan setengah. Tidak dapat dihindari, ada kebocoran dan bias yang bergantung pada suhu untuk sirkuit pendukung yang diperlukan dalam sistem predriver - yang menyebabkan tegangan bootstrap bocor. Jika tegangan bootstrap menurun di bawah tegangan minimal tertentu (sering dipantau melalui rangkaian deteksi undervoltage on-board), rangkaian predriver dapat bertindak keliru dan dalam kasus terburuk merugikan konverter. Untuk aplikasi kapasitansi bootstrap dan konverter daya, ini menetapkan maksimum pada siklus kerja yang dapat dipertahankan atau membatasi kedalaman modulasi yang dapat digunakan.
Jawaban MinDCet: Aplikasi MDC901 High-end, kepadatan daya tinggi, dan pengalihan cepat memerlukan powerstage GaN - di mana pengemudi khusus diperlukan untuk memastikan pengemudian yang andal dan melindungi tahap GaN yang berharga.
Untuk mengatasi masalah yang dijelaskan sebelumnya dan memenuhi tuntutan kinerja GaN, MinDCet memperkenalkan driver gerbang GaN MDC901. Diagram blok yang digambarkan pada Gambar 4 memberikan gambaran umum tentang fungsionalitas utama, memecahkan masalah utama yang dijelaskan pada bagian sebelumnya.
Jalur pull-up dan pull-down yang terpisah memungkinkan penyetelan kecepatan turnon dan akibatnya laju perubahan tegangan tahap output sambil mempertahankan jalur pull-down impedansi rendah untuk transistor GaN. Hal ini menjaga tegangan sumber gerbang terkendali dalam keadaan mati untuk menghindari parasit aktif, bahkan di bawah arus kapasitif gerbang drainase yang tinggi.
Waktu mati untuk menghidupkan dan mematikan dapat diatur melalui serangkaian input digital. Hal ini memungkinkan penyetelan statis waktu mati untuk aplikasi tertentu atau dalam hubungannya dengan pengontrol, ini dapat dilakukan secara dinamis untuk efisiensi optimal. Selain itu, waktu mati dapat diatur dalam mode otomatis. Loop tertutup mendeteksi tegangan gerbang GaN dan gerbang hanya dihidupkan ketika gerbang GaN pelengkap dimatikan. Ini adalah mode operasi gagal-aman.
Risiko gate-overcharging selama operasi tegangan negatif diselesaikan dengan menempatkan regulator yang sepenuhnya mengambang baik di domain sisi tinggi dan sisi rendah setelah dioda bootstrap. Hal ini menghasilkan tegangan driver gerbang yang terdefinisi dengan baik dan terlindungi dengan kuat.
Gambar 4: Diagram blok driver gerbang MDC901 GaN.
Gambar 5: Papan evaluasi setengah jembatan MDC901 100V.
Operasi tegangan keluaran negatif dijamin hingga -4V, memungkinkan kontrol gerbang yang akurat bahkan di bawah arus induktif yang tinggi. Ini telah diakomodasi oleh level shifter yang dirancang khusus dan pembangkit pasokan mengambang.
Untuk aplikasi siklus tugas tinggi (mis. Driver motor dan amplifier kelas-D), adalah wajib untuk mempertahankan kondisi on-state tinggi untuk periode waktu yang lebih lama. Fungsionalitas ini diimplementasikan oleh pompa pengisian terintegrasi, mengkompensasi bias DC di bawah kondisi siklus kerja 100%.
MDC901 memberikan solusi canggih dan kaya fitur untuk menggerakkan transistor GaN dengan cara yang andal untuk memaksimalkan kinerja dalam aplikasi tertentu. Driver dikembangkan untuk solusi DC-DC, tetapi dapat digunakan untuk semua aplikasi mengemudi GaN lainnya seperti LIDAR, driver motor, dan elektronik aplikasi sekering yang membutuhkan kemampuan 200V yang sebenarnya. Untuk mengaktifkan desain yang mudah dan cepat dari driver gerbang MDC901 dalam berbagai aplikasi, papan evaluasi setengah jembatan 100V dalam topologi konverter uang, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5, dikembangkan untuk membantu desainer elektronika daya.
Kesimpulan
Mengaktifkan manfaat sebenarnya dari tahapan daya GaN memerlukan penerapan driver gerbang yang dioptimalkan yang dirancang khusus untuk bekerja dengan transistor GaN. Hasilnya, GaN dapat didorong hingga batasnya, menghasilkan kinerja setinggi mungkin, yang memberikan pengembalian maksimum atas investasi teknologi dan moneter. Gerbang driver diskrit seperti MDC901 memberi pengguna fleksibilitas, diagnostik, dan serangkaian fitur yang diperluas untuk memilih transistor GaN yang paling sesuai untuk aplikasi tertentu.