GaN teknologi adalah pemboleh kuasa sebenar untuk tahap kuasa, hari ini memberikan prestasi yang tidak dapat difikirkan pada dekad sebelumnya. Prestasi dan faedah maksimum dari GaN hanya diperoleh apabila pemandu gerbang sepadan dengan tahap prestasi dan inovasi yang sama dengan transistor. Setelah bertahun-tahun melakukan penyelidikan dan pengembangan, MinDCet telah mengatasi masalah dalam pemanduan gerbang GaN dengan memperkenalkan pemacu gerbang MDC901.
Pengenalan
Sejak pengenalan transistor gallium nitrida (GaN) pertama sejak sepuluh tahun yang lalu, kelebihan mereka dalam elektronik kuasa telah terkenal. Sesungguhnya, sifat material GaN menawarkan kapasitansi parasit yang lebih rendah untuk rintangan tertentu, peralihan beralih cepat yang melekat, kekurangan pemulihan terbalik dan keupayaan operasi suhu tinggi. Sifat-sifat hebat ini nampaknya merupakan kombinasi yang sempurna untuk penukar kuasa berprestasi tinggi.
Walau bagaimanapun, dua aspek penting mesti dipertimbangkan untuk mencapai potensi prestasi GaN. Pertama, adalah konsep umum bahawa keupayaan peralihan transien cepat GaN secara langsung akan membawa kepada frekuensi pensuisan yang lebih tinggi dan seterusnya, kecekapan yang lebih tinggi. Apabila GaN dihidupkan pada kelajuan optimum, ia pasti akan menunjukkan kerugian beralih yang lebih rendah berbanding MOSFET teknologi, untuk frekuensi tertentu. Sebab utama kehilangan pensuisan GaN yang agak rendah adalah masa yang berkurangan semasa peralihan pensuisan, masa apabila voltan dan arus secara serentak hadir berulang kali melalui suis. Kerugian Joule yang disebabkan oleh kehilangan suis ini meningkat secara linear dengan kekerapan. Akhirnya, ketika mengoperasikan GaN pada frekuensi pensuisan yang semakin tinggi, kecekapan GaN yang dihasilkan dapat menjadi sama atau berpotensi lebih rendah daripada a mosfet- penukar berdasarkan. Walaupun terdapat kelebihan kecekapan GaN yang berkurang pada frekuensi pensuisan yang lebih tinggi, penukar berasaskan GaN juga mendapat manfaat daripada penggunaan pasif penyimpanan yang lebih kecil, setara dengan kepadatan kuasa yang lebih tinggi.
Gambar 1: Kecekapan yang diukur sebagai fungsi arus keluaran untuk penukar buck berasaskan GaV 48V hingga 3.3V, pada frekuensi beralih yang berbeza.
Kesan ini ditunjukkan dengan penukar turun turun 48V hingga 3.3V, dibina di sekitar pemacu gerbang MinDCet MDC901, jambatan separuh GaN Systems GS61008P dan kuasa WE-HCF 1.4uH / 31.5A Peraruh, seperti yang digambarkan dalam Rajah 5. Kitaran tugas penukar rendah mendapat manfaat daripada kelajuan sementara pensuisan pantas, menghasilkan peningkatan kecekapan 10 hingga 15 peratus berbanding yang setara. MOSFETpenukar berasaskan pada frekuensi pensuisan yang sama. Pengukuran penukar wang dalam Rajah 1 menunjukkan bahawa walaupun keupayaan GaN, kecekapan penukaran berkurangan apabila kekerapan pensuisan meningkat. Sudah pada frekuensi pensuisan sederhana 300 kHz, penurunan jelas hampir 1 peratus kecekapan setiap tambahan 100 kHz dalam frekuensi pensuisan boleh diperhatikan pada frekuensi yang diukur dari 300 hingga 700 kHz.
Untuk penukar buck 48V hingga 12V, pertukaran ini berubah. Meneliti Rajah 2, kecekapan penukar GaN mendapat keuntungan daripada frekuensi pensuisan yang lebih tinggi pada beban rendah hingga sederhana (hingga kira-kira 10A) melebihi julat 300 hingga 700 kHz. Perlu diperhatikan adalah bahawa induktor yang dipilih mempunyai kesan terhadap kecekapan penukar. Perhatian mesti diambil dalam membuat pertukaran yang tepat dalam reka bentuk penukar berasaskan GaN.
Gambar 2: Kecekapan yang diukur sebagai fungsi arus keluaran untuk penukar buck berasaskan GaV 48V hingga 12V, pada frekuensi beralih yang berbeza.
Kedua, untuk membolehkan faedah intrinsik GaN yang sebenarnya, perlu beralih pada kelajuan sementara yang tinggi. Nilai dari 10V / ns hingga 100V / ns dan seterusnya adalah mungkin. Komponen utama yang bertanggungjawab untuk kelajuan sementara adalah pemacu pintu. Secara semula jadi, reka bentuk litar yang betul, khususnya power routing, gate-loop routing dan decoupling, perlu dilaksanakan untuk memungkinkan driver-gate dan GaN melakukan pekerjaan mereka dengan optimum. Secara umum, pemandu gerbang MOSFET standard mungkin dalam kes yang unik dapat menggerakkan GaN, tetapi prestasi yang optimum tidak akan dapat dicapai. Akibatnya, kelebihan penggunaan GaN sebahagiannya hilang. Pemacu gerbang yang menukar GaN pada kelajuan sementara yang tinggi mesti memenuhi syarat-syarat tertentu dan pada masa yang sama mengalami tekanan yang ketara. Keperluan ketat ini hanya dapat dipenuhi oleh pemandu gerbang yang dikembangkan dengan teliti untuk bekerja dengan GaN.
Perangkap untuk GaN Gate-Driving
Transistor GaN dalam aplikasi kuasa mempunyai banyak potensi: kecekapan kuasa yang lebih tinggi, ketumpatan kuasa yang lebih tinggi, reka bentuk heat-sink / tanpa kipas,… Namun, untuk mendapatkan manfaat maksimum dari tahap GaN memerlukan pemanduan yang berhati-hati, mengelakkan perangkap di sepanjang jalan.
Kadar Slew Tinggi
Memandu transistor GaN sangat samar-samar. Peranti ini dipilih kerana kadar voltan voltan yang besar (melebihi 100V / ns), yang menyebabkan kerugian pensuisan sangat rendah (kerugian yang timbul ketika Vds dan Id tidak sifar). Peralihan cepat antara transistor rendah dan tinggi menyebabkan arus beban bergantian dengan sangat cepat antara beban dan voltan input (contohnya aplikasi penukar buck). Ini menimbulkan kekangan yang sukar bagi pemutusan voltan bas, seperti PCB trek ke jambatan separuh menyebabkan tembakan berlebihan, sangat ditentukan oleh induktansi gelung bas. Selain itu, kadar slew yang tinggi menyuntikkan arus puncak yang besar ke jalan masuk pintu melalui kapasitansi sumber longkang dari transistor luar keadaan.
Hidupkan Parasit
Dalam konfigurasi setengah jambatan, pengaktifan parasit dapat terjadi pada transistor yang dimatikan, ketika voltan sumber longkang tiba-tiba meningkat ke voltan bus, baik secara aktif oleh transistor lawan atau secara induktif melalui arus beban. Arus ini akan ditukar kepada voltan gerbang bukan sifar baik oleh impedans pull-down pemandu gerbang dan induktansi gelung sumber gerbang. Sekiranya voltan ini lebih tinggi daripada voltan ambang, arus silang akan berlaku antara suis sisi tinggi dan rendah jambatan separuh. Induktansi gelung gerbang rendah hanya mungkin dilakukan dalam penggabungan monolitik antara stesen tenaga dan pemacu gerbang, di mana jalan tarik dan tarik yang berasingan untuk setiap transistor GaN sangat diinginkan. Dead-Time Dead-time di half-bridge adalah masa antara peristiwa pemutus satu transistor dan peristiwa peralihan transistor jambatan pelengkap. Pengawalan butiran masa mati adalah penting. Terlalu singkat masa mati akan menyebabkan kerugian yang berlebihan kerana kapasiti sumber saliran GaN dikeluarkan oleh GaN pelengkap. Peralihan voltan sifar berlaku pada waktu mati yang lebih besar, yang membolehkan kapasiti sumber saliran dikeluarkan oleh induktor (dalam penukar buck). Akibatnya, tenaga ini tidak habis. Masa mati yang terlalu lama akan memperkenalkan kerugian yang lebih besar kerana konduksi terbalik GaN dengan sifar Vgs dikenakan penurunan voltan yang lebih besar (beberapa volt) berbanding diod. Waktu mati yang diperbaiki membawa kepada kecekapan suboptimum dan mesti disesuaikan dengan waktu mati yang tepat untuk kerugian minimum, yang sangat bergantung pada aplikasi.
Lebihan Gerbang
Dalam aplikasi pemacu get tidak terpencil, pemacu get sering dibekalkan melalui bootstrap bekalan voltan rendah. Teknik ini akan mengecas penyahgandingan bekalan pemandu pintu sebelah tinggi kapasitor melalui diod voltan tinggi yang pantas. Ini menjana voltan terapung yang digunakan untuk membekalkan semua litar terapung yang digunakan untuk memacu prapemandu sisi tinggi. Seperti yang dijelaskan sebelum ini, masa mati bukan sifar akan menyebabkan voltan sumber saliran transistor GaN sisi rendah - bergantung pada arah magnitud semasa beban - berada di bawah sifar. Ini secara berkesan menyebabkan kapasitor bootstrap mengecas melebihi bekalan input. Gerbang GaN terkenal sangat sensitif terhadap voltan lampau, oleh itu pintu pagar memerlukan perlindungan terhadap pengecasan berlebihan untuk memastikan kebolehpercayaan penukar. Dalam amalan ini dikurangkan melalui penggunaan struktur pengapit, dengan kos peningkatan penggunaan kuasa pemacu pintu dan hartanah PCB dengan keberkesanannya dihadkan oleh parasit PCB.
Operasi Voltan Keluaran Negatif
Perubahan negatif voltan pemacu output bergantung pada induktansi sumber parasit dan keadaan beban penukar kuasa, yang dapat diramalkan dengan buruk. Untuk operasi yang dapat diramalkan, jaminan bahawa jambatan penukar sentiasa dikendalikan diperlukan, walaupun ketika voltan negatif berbanding dengan tempat bekalan. Dalam pengubah tahap bergandingan DC, langkah berjaga-jaga khas mesti diambil untuk membolehkan operasi di bawah permukaan bekalan.
Operasi Kitaran Bertugas Tinggi
Operasi bootstrapped driver gerbang adalah kaedah yang mudah dan berkesan untuk memberikan caj untuk mengawal transistor sisi tinggi, misalnya, di jambatan setengah. Tidak dapat dielakkan, terdapat kebocoran dan bias yang bergantung pada suhu untuk menyokong litar yang diperlukan dalam sistem predriver - yang menyebabkan voltan tali pinggang bocor. Sekiranya voltan bootstrap menurun di bawah voltan minimum tertentu (sering dipantau melalui litar pengesanan undervoltage on-board), litar predriver boleh bertindak secara salah dan dalam keadaan terburuk yang memudaratkan penukar. Untuk aplikasi kapasitans bootstrap dan power converter yang diberikan, ini menetapkan maksimum pada siklus tugas yang dapat dipertahankan atau membatasi kedalaman modulasi yang dapat digunakan.
Jawapan MinDCet: Aplikasi MDC901 High-end, high-density dan fast switching memerlukan stesen GaN - di mana pemandu tertentu diperlukan untuk memastikan pemanduan yang boleh dipercayai dan melindungi tahap GaN yang berharga.
Untuk mengatasi perangkap yang telah dijelaskan sebelumnya dan memberikan tuntutan prestasi GaN, MinDCet memperkenalkan pemacu gerbang GaN MDC901. Gambarajah blok yang digambarkan dalam Rajah 4 memberikan gambaran keseluruhan fungsi utama, menyelesaikan masalah utama yang dijelaskan dalam bahagian sebelumnya.
Laluan pull-up dan pull-down yang berasingan memungkinkan untuk menyesuaikan kelajuan putaran dan akibatnya kadar putaran tahap output sambil mengekalkan jalan turun naik impedans rendah untuk transistor GaN. Ini memastikan voltan sumber gerbang terkendali dalam keadaan tidak dapat mengelakkan penyalaan parasit, walaupun di bawah arus kapasitatif pintu saliran tinggi.
Waktu mati untuk menghidupkan dan mematikan dapat diatur melalui rangkaian input digital. Ini memungkinkan penyetelan waktu mati secara statik untuk aplikasi tertentu atau bersama dengan pengawal, ini dapat dilakukan secara dinamis untuk efisiensi optimal. Selain itu, waktu mati boleh ditetapkan dalam mod automatik. Gelung tertutup merasakan voltan gerbang GaN dan gerbang hanya dihidupkan apabila gerbang GaN pelengkap dimatikan. Ini adalah mod operasi selamat-gagal.
Risiko pengecasan gerbang semasa operasi voltan negatif diselesaikan dengan meletakkan pengatur terapung sepenuhnya di domain sisi tinggi dan sisi rendah setelah diod bootstrap. Ini menghasilkan voltan pemandu gerbang yang ditentukan dengan baik dan dilindungi dengan kuat.
Gambar 4: Gambarajah blok pemacu gerbang GaN MDC901.
Gambar 5: Papan penilaian jambatan separuh MDC901 100V.
Operasi voltan keluaran negatif dijamin turun hingga -4V, memungkinkan kawalan pintu yang tepat walaupun di bawah arus induktif yang tinggi. Ini telah ditampung oleh peralihan tingkat yang dirancang khusus dan penjanaan bekalan terapung.
Untuk aplikasi kitaran tugas tinggi (contohnya pemandu motor dan penguat kelas-D), adalah wajib untuk mengekalkan keadaan sisi tinggi untuk jangka masa yang lebih lama. Fungsi ini dilaksanakan oleh pam pengisian bersepadu, mengimbangi bias DC di bawah 100% keadaan kitaran tugas.
MDC901 menyediakan penyelesaian mewah dan kaya ciri untuk menggerakkan transistor GaN dengan cara yang boleh dipercayai untuk memaksimumkan prestasi dalam aplikasi yang diberikan. Pemacu ini dikembangkan untuk penyelesaian DC-DC, tetapi boleh digunakan untuk semua aplikasi pemanduan GaN lain seperti LIDAR, pemandu motor, dan elektronik aplikasi fius yang memerlukan keupayaan 200V yang sebenar. Untuk membolehkan reka bentuk pemacu gerbang MDC901 yang mudah dan pantas dalam pelbagai aplikasi, papan penilaian jambatan separuh 100V dalam topologi penukar buck, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 5, dikembangkan untuk membantu pereka elektronik kuasa.
kesimpulan
Mengaktifkan faedah sebenar tahap kuasa GaN memerlukan penerapan pemacu gerbang yang dioptimumkan yang direka khusus untuk bekerja dengan transistor GaN. Hasilnya, GaN dapat didorong ke had, menghasilkan prestasi setinggi mungkin, yang memberikan pulangan maksimum atas pelaburan teknologi dan monetari. Pemacu gerbang diskrit seperti MDC901 memberikan pengguna fleksibiliti, diagnostik dan set ciri yang diperluas untuk memilih transistor GaN yang paling sesuai untuk aplikasi yang diberikan.