GaN technology является настоящим помощником для силовых каскадов, обеспечивая сегодня производительность, которая была немыслима в предыдущее десятилетие. Максимальная производительность и преимущества GaN достигаются только тогда, когда драйвер затвора соответствует той же степени производительности и инновационности, что и транзисторы. После многих лет исследований и разработок MinDCet преодолела ловушки управления затвором GaN, представив драйвер затвора MDC901.
Введение
С момента появления первых транзисторов из нитрида галлия (GaN) более десяти лет назад их преимущества в силовой электронике стали хорошо известны. Действительно, свойства материала GaN обеспечивают более низкие паразитные емкости при заданном сопротивлении в открытом состоянии, присущие ему быстрые переходные процессы, отсутствие обратного восстановления и возможность работы при высоких температурах. Эти превосходные свойства кажутся идеальным сочетанием для высокопроизводительных преобразователей энергии.
Однако для реализации потенциала GaN необходимо учитывать два важных аспекта. Во-первых, распространено мнение, что способность GaN к быстрым переходным процессам напрямую ведет к значительно более высоким частотам переключения и, как следствие, более высокой эффективности. Когда GaN переключается с оптимальной скоростью, он действительно показывает меньшие потери переключения по сравнению с МОП-транзистор technology, для данной частоты. Основной причиной сравнительно меньших потерь переключения GaN является уменьшение времени переходного процесса переключения, времени, когда напряжение и ток одновременно присутствуют через переключатель. Потери Джоуля, вызванные этими потерями при переключении, линейно растут с частотой. В конце концов, при эксплуатации GaN на все более высоких частотах переключения результирующая эффективность GaN может стать равной или потенциально ниже, чем MOSFETпреобразователь на основе. Хотя эффективность GaN уменьшается при более высоких частотах переключения, преобразователи на основе GaN дополнительно выигрывают от использования пассивных накопителей меньшего размера, что приравнивается к более высокой плотности мощности.
Рисунок 1: Измеренный КПД как функция выходного тока понижающего преобразователя на основе GaN с 48 В до 3.3 В при различных частотах переключения.
Этот эффект демонстрируется понижающим понижающим преобразователем с 48 В до 3.3 В, построенным на основе драйвера затвора MinDCet MDC901, полумоста GaN Systems GS61008P и источника питания WE-HCF 1.4uH / 31.5A. Индуктор, как показано на рисунке 5. Низкий рабочий цикл преобразователя выгоден за счет быстрых переходных скоростей переключения, что приводит к повышению эффективности на 10–15 процентов по сравнению с эквивалентным преобразователем. МОП-транзистор-преобразователь на той же частоте коммутации. Измерения понижающего преобразователя на рисунке 1 показывают, что, несмотря на возможности GaN, эффективность преобразования снижается с увеличением частоты переключения. Уже при умеренных частотах переключения 300 кГц можно наблюдать явное снижение эффективности почти на 1 процент на каждые дополнительные 100 кГц частоты переключения на измеренных частотах от 300 до 700 кГц.
Для понижающего преобразователя с 48 В на 12 В этот компромисс меняется. На рисунке 2 видно, что эффективность преобразователя на основе GaN увеличивается за счет более высокой частоты переключения при нагрузках от низкой до умеренной (примерно до 10 А) в диапазоне от 300 до 700 кГц. Следует отметить, что выбранная катушка индуктивности влияет на КПД преобразователя. Необходимо соблюдать осторожность при выборе правильного компромисса в конструкции преобразователя на основе GaN.
Рисунок 2: Измеренный КПД как функция выходного тока понижающего преобразователя на основе GaN с 48 В до 12 В при различных частотах переключения.
Во-вторых, чтобы получить истинные преимущества GaN, необходимо переключаться на высоких переходных скоростях. Возможны значения от 10 В / нс до 100 В / нс и выше. Основным компонентом, отвечающим за переходную скорость, является драйвер затвора. Естественно, чтобы драйвер затвора и GaN могли оптимально выполнять свою работу, необходимо разработать правильную схему, в частности, маршрутизацию питания, маршрутизацию петли затвора и развязку. В общем, стандартный драйвер затвора MOSFET может в уникальных случаях управлять GaN, но оптимальная производительность не будет достигнута. Как следствие, преимущества использования GaN частично теряются. Драйвер затвора, который переключает GaN на высоких переходных скоростях, должен отвечать определенным требованиям, одновременно подвергаясь значительным нагрузкам. Этим строгим требованиям может удовлетворить только драйвер затвора, тщательно разработанный для работы с GaN.
Подводные камни для GaN Gate-Driving
GaN-транзисторы в силовых приложениях обладают большим потенциалом: более высокая энергоэффективность, более высокая плотность мощности, потенциальная конструкция без теплоотвода / вентилятора,… Однако получение максимальной выгоды от GaN-каскада требует осторожного вождения, избегая ловушек на дороге.
Высокая скорость нарастания
Схема транзисторов GaN очень неоднозначна. Эти устройства выбраны из-за присущей им большой скорости нарастания напряжения (более 100 В / нс), что приводит к очень низким коммутационным потерям (потери, возникающие, когда Vds и Ids не равны нулю). Быстрое переключение между транзисторами низкого и высокого уровня вызывает очень быстрое изменение тока нагрузки между нагрузкой и входным напряжением (например, в приложениях с понижающим преобразователем). Это накладывает жесткие ограничения на развязку напряжения на шине, так как печатная плата дорожки к полумосту вызывают выброс, сильно определяемый индуктивностью контура шины. Кроме того, высокие скорости нарастания напряжения создают большие пиковые токи в тракте управления затвором через емкость стока-истока транзистора в закрытом состоянии.
Паразитическое включение
В полумостовой конфигурации может происходить паразитное включение транзистора, который выключен, когда его напряжение сток-исток внезапно увеличивается до напряжения на шине, либо активно через противоположный транзистор, либо индуктивно через ток нагрузки. Этот ток будет преобразован в ненулевое напряжение затвора как за счет понижающего импеданса драйвера затвора, так и за счет индуктивности контура затвор-исток. Если это напряжение выше порогового напряжения, между переключателями высокого и низкого уровня полумоста возникнет перекрестный ток. Низкая индуктивность контура затвора возможна только при монолитной совместной интеграции каскада питания и драйвера затвора, когда очень желателен отдельный путь понижения и повышения для каждого транзистора GaN. Мертвое время Мертвое время в полумосте - это время между моментом выключения одного транзистора и включением дополнительного мостового транзистора. Детальный контроль мертвого времени очень важен. Слишком короткое мертвое время приведет к избыточным потерям, поскольку емкость сток-исток GaN разряжается дополнительным GaN. Переключение при нулевом напряжении происходит при больших временах нечувствительности, позволяя разрядить емкость сток-исток катушкой индуктивности (в понижающем преобразователе). Следовательно, эта энергия не рассеивается. Слишком длинные мертвые времена приведут к большим потерям, поскольку обратная проводимость GaN с нулевым Vgs подвержена большему падению напряжения (на несколько вольт) по сравнению с диодом. Фиксированные мертвые времена приводят к неоптимальной эффективности и должны быть настроены на правильное мертвое время для минимальных потерь, что в значительной степени зависит от приложения.
Перегрузка ворот
В неизолированных приложениях с приводом затвора питание драйвера затвора часто осуществляется за счет начальной загрузки источника низкого напряжения. Этот метод будет заряжать развязку питания драйвера затвора верхнего плеча. конденсатор через быстрый высоковольтный диод. Это генерирует плавающее напряжение, которое используется для питания всех плавающих схем, используемых для управления предварительным драйвером верхнего плеча. Как объяснялось ранее, ненулевое время простоя приведет к тому, что напряжение сток-исток GaN-транзистора нижнего плеча – в зависимости от направления величины тока нагрузки – упадет ниже нуля. Это фактически приводит к тому, что бутстреп-конденсатор заряжается за пределами входного источника питания. Известно, что затвор GaN очень чувствителен к перенапряжению на затворе, поэтому для обеспечения надежности преобразователя затвор нуждается в защите от перезаряда. На практике это снижается за счет использования зажимных конструкций за счет увеличения энергопотребления драйвера затвора и площади печатной платы, эффективность которой ограничивается паразитами печатной платы.
Отрицательное выходное напряжение
Отрицательный размах выходного напряжения драйвера зависит от паразитной индуктивности источника и условий нагрузки преобразователя мощности, что может быть плохо спрогнозировано. Для предсказуемой работы требуется гарантия того, что мост преобразователя всегда можно контролировать, даже если напряжение становится отрицательным по сравнению с заземлением источника питания. В переключателе уровня с подключением по постоянному току должны быть приняты особые меры предосторожности, чтобы разрешить работу под землей.
Работа с высоким рабочим циклом
Самостоятельная работа драйвера затвора - это простое и эффективное средство обеспечения заряда для управления транзистором верхнего плеча, например, в полумосте. Неизбежно возникает зависящая от температуры утечка и смещение для вспомогательных схем, необходимых в системе перед драйвером, что приводит к утечке напряжения начальной загрузки. Если напряжение начальной загрузки падает ниже определенного минимального напряжения (часто отслеживаемого с помощью бортовой схемы обнаружения пониженного напряжения), схема предварительного управления может действовать ошибочно и в худшем случае вредно для преобразователя. Для заданной емкости начальной загрузки и преобразователя мощности это устанавливает максимум рабочего цикла, который может поддерживаться, или ограничивает глубину модуляции, которую можно использовать.
Ответ MinDCet: для приложений MDC901 High-end с высокой плотностью мощности и быстрой коммутацией требуется каскад питания на основе GaN, где требуется специальный драйвер для обеспечения надежного управления и защиты ценного каскада из GaN.
Чтобы справиться с ранее описанными ловушками и обеспечить требуемую производительность GaN, MinDCet представил драйвер затвора GaN MDC901. Блок-схема, изображенная на рисунке 4, представляет собой обзор основных функций и устраняет основные ошибки, описанные в предыдущих разделах.
Раздельные каналы повышения и понижения позволяют настраивать скорость включения и, следовательно, скорость нарастания выходного каскада, сохраняя при этом путь понижения с низким импедансом для GaN-транзистора. Это позволяет контролировать напряжение затвор-исток в выключенном состоянии, избегая паразитного включения даже при высоких емкостных токах сток-затвор.
Мертвое время для включения и выключения может быть установлено через ряд цифровых входов. Это позволяет статическую настройку мертвого времени для данного приложения или в сочетании с контроллером, это может выполняться динамически для оптимальной эффективности. Дополнительно можно установить мертвое время в автоматическом режиме. Замкнутый контур определяет напряжения затвора GaN, и затвор включается только тогда, когда дополнительный затвор GaN выключен. Это безотказный режим работы.
Риск перезарядки затвора во время работы с отрицательным напряжением устраняется размещением полностью плавающих стабилизаторов как в области высокого, так и низкого уровня после бутстрапного диода. Это приводит к хорошо определенному и надежно защищенному напряжению драйвера затвора.
Рисунок 4: Блок-схема драйвера затвора GaN MDC901.
Рисунок 5: Оценочная плата полумоста MDC901 на 100 В.
Работа с отрицательным выходным напряжением гарантирована до -4 В, что обеспечивает точное управление затвором даже при высоких индуктивных токах. Это было обеспечено за счет специально разработанного переключателя уровня и генерации плавающего питания.
Для приложений с высоким рабочим циклом (например, драйверы двигателей и усилители класса D) обязательно поддерживать высокое состояние во включенном состоянии в течение более длительных периодов времени. Эта функция была реализована за счет встроенного насоса заряда, компенсирующего смещение постоянного тока в условиях 100% рабочего цикла.
MDC901 представляет собой высокопроизводительное многофункциональное решение для надежного управления GaN-транзисторами с целью максимизации производительности в данном приложении. Драйвер был разработан для решений DC-DC, но может использоваться для всех других приложений управления GaN, таких как LIDAR, драйверы двигателей и электронный применения предохранителей, требующих истинной способности 200 В. Чтобы облегчить и ускорить разработку драйвера затвора MDC901 в различных приложениях, для помощи разработчикам силовой электроники была разработана оценочная плата полумоста 100 В в топологии понижающего преобразователя, как показано на рисунке 5.
Выводы
Для получения истинных преимуществ силовых каскадов на основе GaN требуется реализация оптимизированного драйвера затвора, специально разработанного для работы с транзисторами на основе GaN. В результате, GaN может быть доведен до предела возможностей, обеспечивая максимально возможную производительность, что обеспечивает максимальную отдачу от технологических и денежных вложений. Дискретный драйвер затвора, такой как MDC901, предоставляет пользователю гибкость, диагностику и расширенный набор функций для выбора наиболее подходящих транзисторов GaN для данного приложения.