GaN technologie is een echte enabler voor vermogensfasen en levert vandaag de dag prestaties die in de afgelopen tien jaar ondenkbaar waren. De maximale prestaties en voordelen van GaN worden alleen verkregen als de poortdriver dezelfde prestatie en innovatie heeft als de transistors. Na vele jaren van onderzoek en ontwikkeling heeft MinDCet de valkuilen van GaN-poortbesturing overwonnen door de introductie van de MDC901-poortdriver.
Introductie
Sinds de introductie van de eerste galliumnitride (GaN) -transistors meer dan tien jaar geleden, zijn hun voordelen in vermogenselektronica algemeen bekend geworden. De materiaaleigenschappen van GaN bieden inderdaad lagere parasitaire capaciteiten voor een gegeven aan-weerstand, inherente snelle schakelovergangen, gebrek aan omgekeerd herstel en werking bij hoge temperaturen. Deze uitstekende eigenschappen zijn schijnbaar de perfecte combinatie voor krachtige stroomomvormers.
Er moeten echter twee belangrijke aspecten worden overwogen om het prestatiepotentieel van GaN te bereiken. Ten eerste is het een algemene opvatting dat de snelle transiënte schakelcapaciteit van GaN direct zal leiden tot aanzienlijk hogere schakelfrequenties en als gevolg daarvan een hogere efficiëntie. Wanneer GaN met de optimale snelheid wordt geschakeld, zal het inderdaad lagere schakelverliezen vertonen in vergelijking met MOSFET technologie, voor een bepaalde frequentie. De belangrijkste reden voor de relatief lagere GaN-schakelverliezen is de kortere tijd tijdens de schakelovergang, het tijdstip waarop spanning en stroom zijn gelijktijdig aanwezig over en door de schakelaar. De Joule-verliezen die door dit schakelverlies worden veroorzaakt, nemen lineair toe met de frequentie. Wanneer GaN op steeds hogere schakelfrequenties wordt gebruikt, kan het resulterende GaN-rendement uiteindelijk gelijk of mogelijk lager worden dan a mosfet-gebaseerde converter. Hoewel er afnemende efficiëntievoordelen van GaN zijn bij hogere schakelfrequenties, profiteren de GaN-gebaseerde converters bovendien van het gebruik van kleinere opslagpassieven, wat gelijk staat aan een hogere vermogensdichtheid.
Figuur 1: De gemeten efficiëntie als functie van de uitgangsstroom voor een 48V naar 3.3V GaN-gebaseerde buck-converter, bij verschillende schakelfrequenties.
Dit effect wordt gedemonstreerd met een step-down buck-converter van 48V naar 3.3V, gebouwd rond de MinDCet MDC901-gate-driver, een GaN Systems GS61008P half-bridge en een WE-HCF 1.4uH / 31.5A-voeding Inductor, zoals weergegeven in Figuur 5. De lage duty-cycle van de converter profiteert van de snelle schakeltransiëntsnelheden, wat resulteert in een efficiëntieverbetering van 10 tot 15 procent ten opzichte van een gelijkwaardige MOSFET-gebaseerde converter met dezelfde schakelfrequentie. De meting van de buck-converter in figuur 1 illustreert dat ondanks de mogelijkheden van GaN, de conversie-efficiëntie afneemt naarmate de schakelfrequentie toeneemt. Al bij gematigde schakelfrequenties van 300 kHz kan over de gemeten frequenties van 1 tot 100 kHz een duidelijke afname van bijna 300 procent efficiëntie per extra 700 kHz schakelfrequentie worden waargenomen.
Voor een buck-converter van 48V naar 12V verandert deze afweging. Als we Figuur 2 bekijken, profiteert de efficiëntie van de GaN-omvormer van een hogere schakelfrequentie bij lage tot matige belastingen (tot ongeveer 10 A) over het bereik van 300 tot 700 kHz. Opgemerkt moet worden dat de geselecteerde inductor een invloed heeft op de efficiëntie van de omzetter. Er moet voor worden gezorgd dat de juiste afwegingen worden gemaakt bij het ontwerp van de GaN-gebaseerde omvormer.
Figuur 2: De gemeten efficiëntie als functie van de uitgangsstroom voor een 48V naar 12V GaN-gebaseerde buck-converter, bij verschillende schakelfrequenties.
Ten tweede, om de echte intrinsieke voordelen van GaN mogelijk te maken, is het noodzakelijk om met hoge transiënte snelheden te schakelen. Waarden van 10V / ns tot 100V / ns en hoger zijn mogelijk. De belangrijkste component die verantwoordelijk is voor voorbijgaande snelheid is de poortbesturing. Uiteraard moet het juiste circuitontwerp, met name stroomroutering, gate-loop routing en ontkoppeling, worden geïmplementeerd om de gate-driver en GaN in staat te stellen hun werk optimaal te doen. Over het algemeen kan een standaard MOSFET-poortstuurprogramma in unieke gevallen GaN aansturen, maar optimale prestaties zullen niet worden bereikt. Als gevolg hiervan gaan de voordelen van het gebruik van GaN gedeeltelijk verloren. Een gate-driver die GaN met hoge transiënte snelheden schakelt, moet aan specifieke eisen voldoen en tegelijkertijd aan aanzienlijke spanningen worden blootgesteld. Aan deze strenge eisen kan alleen worden voldaan door een poortbesturing die zorgvuldig is ontwikkeld om met GaN te werken.
Valkuilen voor GaN Gate-Driving
GaN-transistors in stroomtoepassingen hebben veel potentieel: hogere energie-efficiëntie, hogere vermogensdichtheid, potentieel ontwerp zonder koellichaam / ventilator,… Om het maximale voordeel uit een GaN-trap te halen, moet echter voorzichtig worden gereden, waarbij de valkuilen langs de weg worden vermeden.
Hoge zwenksnelheden
Het aansturen van GaN-transistors is erg dubbelzinnig. Deze apparaten zijn gekozen vanwege hun inherent grote spanningszwenksnelheden (meer dan 100 V / ns), wat leidt tot zeer lage schakelverliezen (verliezen opgelopen wanneer Vds en Ids niet nul zijn). De snelle omschakeling tussen lage en hoge transistors zorgt ervoor dat de belastingsstroom zeer snel wisselt tussen belasting en ingangsspanning (bijv. Buck-convertertoepassingen). Dit stelt harde beperkingen voor de ontkoppeling van de busspanning, zoals pcb sporen naar de halve brug veroorzaken overshoot, in hoge mate bepaald door de inductantie van de buslus. Bovendien injecteren de hoge zwenksnelheden grote piekstromen in het poortaanstuurpad door de afvoerbroncapaciteit van de uit-toestandstransistor.
Parasitaire inschakeling
In een halve-brugconfiguratie kan parasitaire inschakeling optreden bij de transistor die is uitgeschakeld, wanneer zijn drain-source-spanning plotseling toeneemt tot de busspanning, hetzij actief door de tegenoverliggende transistor, hetzij inductief door de belastingsstroom. Deze stroom zal worden omgezet in een poortspanning die niet gelijk is aan nul, zowel door de pull-downimpedantie van de gate-driver als door de gate-source lusinductantie. Indien deze spanning hoger is dan de drempelspanning, zal er een kruisstroom optreden tussen de high-side en low-side schakelaars van de halve brug. Lage poortlusinductie is alleen mogelijk in monolithische co-integratie van de powerstage en gate-driver, waarbij een afzonderlijk pull-down- en pull-up-pad voor elke GaN-transistor zeer wenselijk is. Dode tijd Dode tijd in een halve brug is de tijd tussen de uitschakelgebeurtenis van een transistor en de inschakelgebeurtenis van de complementaire brugtransistor. Granulaire beheersing van de dode tijd is essentieel. Een te korte dode tijd zal overmatige verliezen veroorzaken aangezien de GaN-afvoerbroncapaciteit wordt ontladen door het complementaire GaN. Nulspanningsomschakeling vindt plaats bij grotere dode tijden, waardoor de afvoerbroncapaciteit kan worden ontladen door de inductor (in een buck-converter). Bijgevolg wordt deze energie niet gedissipeerd. Te lange dode tijden zullen grotere verliezen met zich meebrengen, aangezien de omgekeerde geleiding van een GaN met nul Vgs onderhevig is aan een grotere spanningsval (van enkele volt) in vergelijking met een diode. Vaste dode tijden leiden tot een suboptimale efficiëntie en moeten worden afgestemd op de juiste dode tijd voor minimaal verlies, dat sterk toepassingsafhankelijk is.
Gate overladen
Bij niet-geïsoleerde gate-drive-toepassingen wordt de gate-driver vaak gevoed via het bootstrapping van de laagspanningsvoeding. Deze techniek laadt de voedingsontkoppeling van de poortdriver aan de hoge kant op condensator via een snelle hoogspanningsdiode. Dit genereert een zwevende spanning die wordt gebruikt om alle zwevende circuits te voeden die worden gebruikt om de high-side predriver aan te drijven. Zoals eerder uitgelegd, zal de dode tijd die niet nul is ervoor zorgen dat de drain-source-spanning van de lage GaN-transistor – afhankelijk van de stroomsterkterichting van de belasting – onder nul daalt. Dit zorgt ervoor dat de bootstrap-condensator effectief wordt opgeladen tot voorbij de ingangsvoeding. Het is bekend dat een GaN-poort bijzonder gevoelig is voor poortoverspanningen. Daarom heeft de poort bescherming nodig tegen overladen om de betrouwbaarheid van de omzetter te garanderen. In de praktijk wordt dit verminderd door het gebruik van klemstructuren, ten koste van een groter stroomverbruik van de poortaansturing en van PCB-vastgoed waarvan de effectiviteit wordt beperkt door PCB-parasitaire eigenschappen.
Negatieve uitgangsspanning
De negatieve swing van de uitgangsstuurspanning hangt af van de parasitaire broninductantie en de belastingscondities van de stroomomvormer, die slecht kunnen worden voorspeld. Voor een voorspelbare werking is een garantie vereist dat de converterbrug altijd kan worden bestuurd, zelfs als de spanning negatief wordt vergeleken met de aarding van de voeding. Bij een DC-gekoppelde level-shifter moeten speciale voorzorgsmaatregelen worden genomen om werking onder de voedingsbodem mogelijk te maken.
Werking met hoge inschakelduur
Bootstrap-werking van een gate-driver is een eenvoudig en effectief middel om lading te leveren om de hoge-zijde-transistor te besturen, bijvoorbeeld in een halve brug. Onvermijdelijk is er temperatuurafhankelijke lekkage en vooringenomenheid voor ondersteunende schakelingen die nodig zijn in het predriver-systeem - waardoor de bootstrap-spanning weglekt. Als de bootstrap-spanning daalt tot onder een bepaalde minimale spanning (vaak bewaakt door een on-board onderspanningsdetectiecircuit), kan het voor-stuurcircuit onjuist werken en in het ergste geval schadelijk voor de omzetter. Voor een gegeven bootstrap-capaciteit en stroomomzettertoepassing stelt dit een maximum in voor de inschakelduur die kan worden gehandhaafd of beperkt de modulatiediepte die kan worden gebruikt.
Het antwoord van MinDCet: de MDC901 High-end toepassingen met hoge vermogensdichtheid en snelle schakelingen vragen om een GaN-powerstage - waar een specifieke driver nodig is om een betrouwbare aandrijving te garanderen en de waardevolle GaN-trap te beschermen.
Om de eerder beschreven valkuilen aan te pakken en te voldoen aan de GaN-vereisten voor prestaties, introduceerde MinDCet de MDC901 GaN-gate-driver. Het afgebeelde blokschema in Figuur 4 geeft een overzicht van de belangrijkste functionaliteit en lost de belangrijkste valkuilen op die in de vorige secties zijn beschreven.
Afzonderlijke pull-up- en pull-down-paden maken afstemming mogelijk van de aanslagsnelheid en bijgevolg de slew-rate van de eindtrap terwijl een pulldown-pad met lage impedantie voor de GaN-transistor wordt gehandhaafd. Dit houdt de gate-source-spanning onder controle in de uit-toestand en vermijdt parasitaire inschakeling, zelfs bij hoge capacitieve drain-gate-stromen.
De dode tijd voor in- en uitschakelen kan worden ingesteld via een reeks digitale ingangen. Dit maakt statische afstemming van de dode tijd mogelijk voor een bepaalde toepassing of in combinatie met een controller, dit zou dynamisch kunnen worden uitgevoerd voor optimale efficiëntie. Bovendien kan de dode tijd worden ingesteld in de automatische modus. Een gesloten lus neemt de GaN-poortspanningen waar en de poort wordt alleen ingeschakeld als de complementaire GaN-poort is uitgeschakeld. Dit is een storingsvrije bedieningsmodus.
Het risico van overladen van de gate tijdens bedrijf met negatieve spanning wordt opgelost door volledig zwevende regelaars zowel in het high-side als low-side domein na de bootstrap-diode te plaatsen. Dit resulteert in een goed gedefinieerde en robuust beschermde gate-stuurspanning.
Afbeelding 4: het blokschema van de MDC901 GaN-gate-driver.
Afbeelding 5: het MDC901 100V-evaluatiebord met halve brug.
Negatieve werking van de uitgangsspanning is gegarandeerd tot -4V, waardoor een nauwkeurige poortbesturing mogelijk is, zelfs bij hoge inductieve stromen. Dit is mogelijk gemaakt door een speciaal ontworpen level shifter en het genereren van zwevende toevoer.
Voor toepassingen met een hoge inschakelduur (bijv. Motorstuurprogramma's en klasse-D-versterkers) is het verplicht om gedurende langere tijd een high-side on-state aan te houden. Deze functionaliteit werd geïmplementeerd door een geïntegreerde laadpomp, die de DC-bias compenseert onder 100% inschakelduurcondities.
De MDC901 biedt een hoogwaardige en veelzijdige oplossing om GaN-transistors op een betrouwbare manier aan te sturen voor maximale prestaties in de gegeven toepassing. De driver is ontwikkeld voor DC-DC-oplossingen, maar kan worden gebruikt voor alle andere GaN-aandrijftoepassingen zoals LIDAR, motoraandrijvingen en elektronische zekeringstoepassingen die echte 200V-capaciteit vereisen. Om een eenvoudig en snel ontwerp van de MDC901-poortdriver in een verscheidenheid aan toepassingen mogelijk te maken, werd een 100V halfbrug-evaluatiebord in een buck-converter-topologie, zoals weergegeven in afbeelding 5, ontwikkeld om ontwerpers van vermogenselektronica te helpen.
Conclusies
Om de echte voordelen van GaN-vermogensfasen mogelijk te maken, is de implementatie van een geoptimaliseerde gate-driver vereist die specifiek is ontworpen om met GaN-transistors te werken. Het resultaat is dat GaN tot het uiterste kan worden gedreven, wat de hoogst mogelijke prestatie oplevert, wat een maximaal rendement op de technologische en monetaire investering oplevert. Een discrete gate-driver zoals de MDC901 biedt de gebruiker de flexibiliteit, diagnostiek en een uitgebreide set functies om de meest geschikte GaN-transistors voor de gegeven toepassing te kiezen.