שימוש ב- GaN עם נהיגת שערים עם ביצועים גבוהים

גן טֶכנוֹלוֹגִיָה הוא מאפשר אמיתי לשלבי כוח, ומספק כיום ביצועים שלא היו מתקבלים על הדעת בעשור הקודם. הביצועים והיתרונות המרביים מ- GaN מתקבלים רק כאשר נהג השער תואם את אותה מידה של ביצועים וחדשנות כמו הטרנזיסטורים. לאחר שנים רבות של מחקר ופיתוח, MinDCet התגברה על המלכודות בנהיגת שער ה- GaN על ידי הצגת הנהג שער MDC901.

מבוא

מאז הכנסת הטרנזיסטורים הראשונים של גליום ניטריד (GaN) לפני למעלה מעשר שנים, יתרונותיהם באלקטרוניקה כוחית הפכו ידועים. ואכן, מאפייני החומר של GaN מציעים יכולות טפיליות נמוכות יותר עבור התנגדות נתונה למצב, מעברים מהירים טבועים, חסר התאוששות הפוכה ויכולת פעולה בטמפרטורה גבוהה. מאפיינים מצוינים אלה הם לכאורה השילוב המושלם עבור ממירי הספק בעלי ביצועים גבוהים.

עם זאת, יש לקחת בחשבון שני היבטים חשובים כדי להשיג את פוטנציאל הביצועים של גאן. ראשית, תפיסה נפוצה היא כי יכולת המעבר החולפת המהירה של גאן תוביל באופן ישיר לתדרי מיתוג גבוהים משמעותית וכתוצאה מכך ליעילות גבוהה יותר. כאשר מעבירים GaN במהירות האופטימלית הוא אכן יראה הפסדי מיתוג נמוכים יותר בהשוואה ל- MOSFET טֶכנוֹלוֹגִיָה, עבור תדירות נתונה. הסיבה העיקרית להפסדי המיתוג הנמוכים יחסית של GaN היא הקצרת הזמן במהלך ארעית המיתוג, הזמן שבו מתח והזרם נמצאים בו זמנית מעל ומתג. הפסדי הג'ול הנגרמים כתוצאה מהפסד מיתוג זה גדלים באופן ליניארי בתדירות. בסופו של דבר, כאשר אנו מפעילים GaN בתדרי מיתוג גבוהים יותר ויותר, יעילות ה- GaN המתקבלת עשויה להיות שווה או נמוכה יותר מ- a MOSFETממיר מבוסס. למרות שיש יתרונות יעילים הולכים ופוחתים של GaN בתדרי מיתוג גבוהים יותר, הממירים מבוססי GaN נהנים בנוסף משימוש בפסיביות אחסון קטנות יותר, המשווים צפיפות הספק גבוהה יותר.

איור 1: היעילות הנמדדת כפונקציה של זרם המוצא עבור ממיר באק מבוסס 48V עד 3.3V GaN, בתדרי מיתוג שונים.

השפעה זו מודגמת עם ממיר זרם של 48 וואט עד 3.3 וולט, שנבנה סביב נהג השער MinDCet MDC901, חצי גשר של GaN Systems GS61008P וכוח WE-HCF 1.4uH / 31.5A משרן, כפי שמתואר באיור 5. מחזור העבודה הנמוך של הממיר נהנה ממהירויות המעבר המהירות של מיתוג, וכתוצאה מכך לעלייה ביעילות של 10 עד 15 אחוזים לעומת ערך שווה ערך. MOSFETממיר מבוסס באותו תדר מיתוג. מדידת ממיר ה-buck באיור 1 מדגימה שלמרות היכולות של GaN, יעילות ההמרה פוחתת ככל שתדירות המיתוג עולה. כבר בתדרי מיתוג מתונים של 300 קילו-הרץ, ניתן להבחין בירידה ברורה של כמעט 1 אחוז יעילות לכל 100 קילו-הרץ נוספים בתדר המיתוג על פני התדרים הנמדדים מ-300 עד 700 קילו-הרץ.

עבור ממיר 48V ל 12V באק משתנה הסחר הזה. בבחינת איור 2, יעילות ממיר ה- GaN נהנית מתדר מיתוג גבוה יותר בעומסים נמוכים עד בינוניים (עד כ -10 A) בטווח של 300 עד 700 קילו-הרץ. יש לציין כי למשרן שנבחר יש השפעה על יעילות הממיר. יש להקפיד על ביצוע הפשרות הנכונות בתכנון הממיר מבוסס GaN.

איור 2: היעילות הנמדדת כפונקציה של זרם המוצא עבור ממיר באק מבוסס 48V עד 12V GaN, בתדרי מיתוג שונים.

שנית, כדי לאפשר את היתרונות הפנימיים האמיתיים של GaN, יש צורך לעבור במהירויות חולפות גבוהות. ערכים מ 10V / ns עד 100V / ns ומעלה אפשריים. המרכיב העיקרי האחראי למהירות חולפת הוא נהג השער. מטבע הדברים, יש ליישם תכנון נכון של המעגלים, במיוחד ניתוב כוח, ניתוב לולאת שער וניתוק ניתוק, כדי לאפשר למנהל השער ול- GaN לבצע את עבודתם בצורה אופטימלית. באופן כללי, נהג שער MOSFET סטנדרטי יכול במקרים ייחודיים לנהוג ב- GaN, אך לא יגיעו לביצועים אופטימליים. כתוצאה מכך יתרונות השימוש ב- GaN אבדו בחלקם. נהג שער המחליף את ה- GaN במהירויות חולפות גבוהות חייב לעמוד בדרישות ספציפיות ובו בזמן להיות נתון למתחים משמעותיים. דרישות מחמירות אלו יכולות להיענות רק על ידי נהג שער שפותח בקפידה לעבודה עם גאן.

מלכודות לנהיגת שער גן

לטרנזיסטורים של GaN ביישומי הספק יש פוטנציאל רב: יעילות הספק גבוהה יותר, צפיפות הספק גבוהה יותר, פוטנציאל קירור / עיצוב חסר מאוורר, ... עם זאת קבלת התועלת המקסימאלית משלב GaN מחייב נהיגה זהירה והימנעות ממלכודות לאורך הכביש.

שיעורי שינה גבוהים

נהיגה של טרנזיסטורי גן היא מאוד לא ברורה. מכשירים אלה נבחרים על פי קצב המתח הגדול שלהם מטבעם (העולה על 100V / ns), מה שמוביל להפסדי מיתוג נמוכים מאוד (הפסדים שנגרמו כאשר Vds ו- IDs אינם אפסים). המעבר המהיר בין טרנזיסטורים נמוכים וגבוהים גורם לזרם העומס להתחלף במהירות רבה בין עומס למתח כניסה (למשל יישומי ממיר באק). זה מציב אילוצים קשים להתנתקות מתח האוטובוסים, כמו PCB מסלולים לחצי הגשר גורמים לחרף, מוגדרים מאוד על ידי השראות לולאת האוטובוס. בנוסף, שיעורי ההריגה הגבוהים מזריקים זרמי שיא גדולים לנתיב הנהיגה בשער דרך קיבול מקור הניקוז של הטרנזיסטור מחוץ למצב.

הפעלה טפילית

בתצורה של חצי גשר, הפעלה טפילית יכולה להתרחש לטרנזיסטור המנותק, כאשר מתח מקור הניקוז שלו גדל לפתע למתח האוטובוס, באופן פעיל על ידי הטרנזיסטור הנגדי או באופן אינדוקטיבי דרך זרם העומס. זרם זה יומר למתח שער שאינו אפס הן על ידי העכבה הנפתחת של נהג השער והן על ידי השראת לולאת מקור השער. אם מתח זה גבוה ממתח הסף, יתחולל זרם צולב בין מתגי הצד הגבוה והצד התחתון של חצי הגשר. השראות לולאת שער נמוכה אפשרית רק בשילוב משותף מונוליטי של תחנת הכוח ומניע השער, כאשר רצוי מאוד לנתיב נפתח ומשיכה נפרד לכל טרנזיסטור GaN. זמן מת מת זמן בחצי גשר הוא הזמן שבין אירוע הכיבוי של טרנזיסטור אחד לבין אירוע ההפעלה של טרנזיסטור הגשר המשלים. שליטה גרעינית בזמן המת הוא חיוני. זמן קצר מדי של זמן מת יגרום להפסדים עודפים מכיוון שקיבולת המקור לניקוז ה- GaN מתפרקת על ידי ה- GaN המשלים. מיתוג מתח אפס מתרחש בזמנים מתים גדולים יותר, ומאפשר לפרוק את הקיבול של מקור הניקוז על ידי המשרן (בממיר באק). כתוצאה מכך, אנרגיה זו אינה מתפזרת. זמן מת ארוך מדי יכניס הפסדים גדולים יותר מכיוון שההולכה ההפוכה של GaN עם אפס Vgs כפופה לירידת מתח גדולה יותר (של כמה וולט) בהשוואה לדיודה. זמני מתים קבועים מובילים ליעילות לא אופטימלית ויש לכוונן את זמן המת המתאים לאובדן מינימלי, שהוא תלוי מאוד ביישום.

טעינת יתר בשער

ביישומי כונן שער לא מבודדים, מנהל השער מסופק לרוב באמצעות אתחול של ספק המתח הנמוך. טכניקה זו תטעין את ניתוק אספקת השער הגבוה של השער קבל דרך דיודה במתח גבוה מהיר. זה יוצר מתח צף המשמש לאספקת כל המעגלים הצפים המשמשים להנעת ה-predriver בעל הצד הגבוה. כפי שהוסבר קודם, זמן המוות שאינו אפס יגרום למתח מקור הניקוז של טרנזיסטור GaN בצד הנמוך - בהתאם לכיוון הגודל הנוכחי של העומס - לרדת מתחת לאפס. זה גורם למעשה לקבל ה-bootstrap להיטען מעבר לאספקת הקלט. שער GaN ידוע כרגיש לשמצה למתחי יתר של שערים, לכן השער זקוק להגנה מפני טעינת יתר כדי להבטיח את אמינות הממיר. בפועל זה מצטמצם באמצעות שימוש במבני הידוק, במחיר של צריכת חשמל מוגברת של נהגי שער ונכסי PCB עם יעילותו מוגבלת על ידי טפילי PCB.

פעולת מתח יציאה שלילית

התנודה השלילית של מתח הנהג המוצא תלויה בהשראות המקור הטפילי ובתנאי העומס של ממיר הכוח, שניתן לחזות אותם בצורה גרועה. לצורך פעולה צפויה, נדרשת ערובה לכך שתמיד ניתן לשלוט על גשר הממיר, גם כאשר הוא מתח שלילי במתח בהשוואה לשטח האספקה. בממתח מפלס מצומצם עם DC, יש לנקוט באמצעי זהירות מיוחדים כדי לאפשר פעולה מתחת לאדמת האספקה.

פעולת מחזור בעבודה גבוהה

הפעלה של מגף שער הוא מאתחל הוא אמצעי פשוט ויעיל לספק מטען לשליטה על הטרנזיסטור בצד הגבוה, למשל בחצי גשר. באופן בלתי נמנע, יש דליפה תלויה בטמפרטורה והטיה למעגלים תומכים הנדרשים במערכת הטרום - מה שגורם למתח האתחול לדלוף. אם מתח האתחול יורד מתחת למתח מינימלי מסוים (לעיתים מנוטר באמצעות מעגל איתור מתח תת-לוח), מעגל הדרייבר יכול לפעול בטעות ובמקרה הגרוע ביותר לפגוע בממיר. עבור יישום נתון של קיבולת האתחול וממיר ההספק, זה מגדיר מקסימום על מחזור החובה שניתן לשמור עליו או מגביל את עומק האפנון בו ניתן להשתמש.

התשובה MinDCet: MDC901 יישומי High-end, צפיפות הספק גבוהה ויישומי מיתוג מהירים דורשים שלב מתח GaN - שבו יש צורך בנהג ספציפי כדי להבטיח נהיגה אמינה ולהגן על שלב ה- GaN היקר.

כדי להתמודד עם החסרונות שתוארו בעבר ולספק את דרישות הביצועים של GaN, MinDCet הציג את מנהל השער GaN MDC901. דיאגרמת הגוש המתוארת באיור 4 מספקת סקירה על פונקציונליות המפתח, לפתרון המלכודות העיקריות שתוארו בסעיפים הקודמים.

נתיבי משיכה נפתחים ונפרדים מאפשרים כוונון של מהירות התור וכתוצאה מכך את קצב ההחלמה של שלב הפלט תוך שמירה על נתיב הנפתח עכבה נמוך לטרנזיסטור ה- GaN. זה שומר על מתח המקור של השער במצב שאינו במצב ההימנעות מהדלקה טפילית, אפילו תחת זרמים קיבוליים גבוהים של שער הניקוז.

ניתן להגדיר את זמן המתים להפעלה וכיבוי באמצעות סדרת כניסות דיגיטליות. זה מאפשר כוונון סטטי של זמן המת עבור יישום נתון או בשילוב עם בקר, זה יכול להתבצע באופן דינמי לצורך יעילות אופטימלית. בנוסף, ניתן להגדיר זמן מת במצב אוטומטי. לולאה סגורה חשה את המתח של שער ה- GAN והשער מופעל רק כאשר שער ה- GA המשלים אינו פעיל. זהו מצב פעולה בטוח.

הסיכון להעמסת יתר של שערים במהלך הפעלת מתח שלילי נפתר על ידי הצבת וסתים צפים לחלוטין הן בתחום הצד הגבוה והן הצד הנמוך לאחר דיודת האתחול. התוצאה היא מתח נהג שער מוגדר היטב ומוגן היטב.

איור 4: דיאגרמת החסימה של מנהל התקן שער MDC901.

איור 5: לוח הערכת חצי גשר MDC901 100V.

תפעול מתח יציאה שלילי מובטח עד -4V, ומאפשר בקרת שער מדויקת גם בזרמי אינדוקציה גבוהים. זה התאפשר על ידי מעבר מפלס שתוכנן במיוחד ויצור אספקה ​​צף.

עבור יישומי מחזור עבודה גבוהים (למשל נהגים מנועים ומגברים מסוג D), חובה לשמור על מצב ציבורי גבוה לפרקי זמן ארוכים יותר. פונקציונליות זו יושמה על ידי משאבת טעינה משולבת, המפצה על הטיה של DC בתנאי מחזור עבודה של 100%.

ה- MDC901 מספק פתרון יוקרתי ועשיר בתכונות להנעת טרנזיסטורי GaN בצורה אמינה למקסום ביצועים ביישום הנתון. הנהג פותח עבור פתרונות DC-DC, אך ניתן להשתמש בו לכל יישומי נהיגת ה- GaN האחרים כמו LIDAR, נהגי מנוע ו אלקטרוני יישומי נתיכים הדורשים יכולת אמיתית של 200 וולט. כדי לאפשר תכנון קל ומהיר של מנהל השער MDC901 במגוון יישומים, פותח לוח הערכה של חצי וולט-גשר בטופולוגיית ממיר באק, כפי שמוצג באיור 100, לסיוע למעצבי אלקטרוניקה כוח.

מסקנות

הפעלת היתרונות האמיתיים של שלבי כוח GaN מחייבת הטמעה של מנהל התקן שער אופטימלי שתוכנן במיוחד לעבודה עם טרנזיסטורי GaN. כתוצאה מכך, ניתן לדחוף את ה- GaN לקצה הגבול, ולהניב את הביצועים הגבוהים ביותר האפשריים, המספקים תשואה מרבית על ההשקעה הטכנולוגית והכספית. מנהל שער נפרד כמו MDC901 מספק למשתמש את הגמישות, האבחון וערכת התכונות המורחבת לבחירת טרנזיסטורי ה- GaN המתאימים ביותר ליישום הנתון.