การใช้ GaN กับการขับเกตประสิทธิภาพสูง

กาน เทคโนโลยี เป็นตัวเปิดใช้งานที่แท้จริงสำหรับขั้นตอนการใช้พลังงานวันนี้ให้ประสิทธิภาพที่คิดไม่ถึงในทศวรรษก่อน ประสิทธิภาพและประโยชน์สูงสุดจาก GaN จะได้รับก็ต่อเมื่อตัวขับเกตตรงกับระดับประสิทธิภาพและนวัตกรรมเดียวกันกับทรานซิสเตอร์ หลังจากการวิจัยและพัฒนาเป็นเวลาหลายปี MinDCet ได้เอาชนะข้อผิดพลาดในการขับประตู GaN โดยการแนะนำตัวขับเกต MDC901

บทนำ

นับตั้งแต่การเปิดตัวทรานซิสเตอร์แกลเลียมไนไตรด์ (GaN) ตัวแรกเมื่อสิบปีที่แล้วข้อดีของพวกเขาในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังได้กลายเป็นที่รู้จักกันดี อันที่จริงคุณสมบัติของวัสดุของ GaN มีค่าความจุของกาฝากที่ต่ำกว่าสำหรับความต้านทานต่อที่กำหนดช่วงเวลาการสลับที่รวดเร็วโดยธรรมชาติไม่มีการคืนสภาพย้อนกลับและความสามารถในการทำงานที่อุณหภูมิสูง คุณสมบัติที่ยอดเยี่ยมเหล่านี้ดูเหมือนจะเป็นส่วนผสมที่ลงตัวสำหรับตัวแปลงกำลังที่มีประสิทธิภาพสูง

อย่างไรก็ตามต้องพิจารณาประเด็นสำคัญสองประการเพื่อให้บรรลุศักยภาพในการปฏิบัติงานของ GaN ประการแรกเป็นความคิดทั่วไปว่าความสามารถในการเปลี่ยนชั่วคราวที่รวดเร็วของ GaN จะนำไปสู่ความถี่ในการเปลี่ยนที่สูงขึ้นอย่างมีนัยสำคัญและเป็นผลให้ประสิทธิภาพที่สูงขึ้น เมื่อ GaN ถูกเปลี่ยนด้วยความเร็วที่เหมาะสมมันจะแสดงการสูญเสียการสลับที่ต่ำกว่าเมื่อเทียบกับ MOSFET เทคโนโลยีสำหรับความถี่ที่กำหนด สาเหตุหลักสำหรับการสูญเสียการสลับ GaN ที่ต่ำกว่าเมื่อเปรียบเทียบคือเวลาที่ลดลงในระหว่างการเปลี่ยนชั่วคราวซึ่งเป็นเวลาที่ แรงดันไฟฟ้า และกระแสจะแสดงพร้อมกันผ่านสวิตช์ การสูญเสียจูลที่เกิดจากการสูญเสียการสลับนี้จะเพิ่มขึ้นเป็นเส้นตรงตามความถี่ ในที่สุดเมื่อใช้งาน GaN ที่ความถี่สวิตชิ่งที่สูงขึ้นเรื่อย ๆ ประสิทธิภาพของ GaN ที่ได้อาจเท่ากับหรืออาจต่ำกว่า a MOSFET- ตามตัวแปลง แม้ว่าจะมีประโยชน์ด้านประสิทธิภาพที่ลดลงของ GaN ที่ความถี่สวิตชิ่งที่สูงขึ้น แต่ตัวแปลงที่ใช้ GaN ยังได้รับประโยชน์จากการใช้พาสซีฟจัดเก็บข้อมูลที่มีขนาดเล็กลงซึ่งเท่ากับความหนาแน่นของพลังงานที่สูงขึ้น

รูปที่ 1: ประสิทธิภาพที่วัดได้เป็นฟังก์ชันของกระแสเอาต์พุตสำหรับตัวแปลงบั๊กที่ใช้ GaN 48V ถึง 3.3V ที่ความถี่การสลับที่แตกต่างกัน

เอฟเฟกต์นี้แสดงให้เห็นด้วยตัวแปลงบัคแบบ step-down 48V ถึง 3.3V ซึ่งสร้างขึ้นรอบ ๆ ตัวขับเกต MinDCet MDC901, ฮาล์ฟบริดจ์ GaN Systems GS61008P และพาวเวอร์ WE-HCF 1.4uH / 31.5A Inductorดังที่ปรากฎในรูปที่ 5 รอบการทำงานของตัวแปลงต่ำจะได้รับประโยชน์จากความเร็วชั่วคราวของการสลับที่รวดเร็ว ส่งผลให้ประสิทธิภาพเพิ่มขึ้น 10 ถึง 15 เปอร์เซ็นต์จากค่าที่เท่ากัน MOSFET- ตัวแปลงแบบพื้นฐานที่ความถี่สวิตชิ่งเดียวกัน การวัดตัวแปลงบั๊กในรูปที่ 1 เป็นตัวอย่างว่าแม้จะมีความสามารถของ GaN ประสิทธิภาพการแปลงจะลดลงเมื่อความถี่ในการเปลี่ยนเพิ่มขึ้น เมื่ออยู่ที่ความถี่สวิตชิ่งระดับปานกลางที่ 300 kHz ประสิทธิภาพการลดลงเกือบ 1 เปอร์เซ็นต์ต่อความถี่สวิตชิ่งเพิ่มเติม 100 kHz ที่ชัดเจนสามารถสังเกตได้เหนือความถี่ที่วัดได้ตั้งแต่ 300 ถึง 700 kHz

สำหรับตัวแปลงบั๊ก 48V ถึง 12V การเปลี่ยนแปลงการแลกเปลี่ยนนี้ จากการตรวจสอบรูปที่ 2 ประสิทธิภาพของตัวแปลง GaN ได้รับประโยชน์จากความถี่ในการเปลี่ยนที่สูงขึ้นที่โหลดต่ำถึงปานกลาง (สูงสุดประมาณ 10A) ในช่วง 300 ถึง 700 kHz ที่น่าสังเกตคือตัวเหนี่ยวนำที่เลือกมีผลกระทบต่อประสิทธิภาพของคอนเวอร์เตอร์ ต้องใช้ความระมัดระวังในการทำการแลกเปลี่ยนที่ถูกต้องในการออกแบบตัวแปลงที่ใช้ GaN

รูปที่ 2: ประสิทธิภาพที่วัดได้เป็นฟังก์ชันของกระแสเอาต์พุตสำหรับตัวแปลงบั๊กที่ใช้ GaN 48V ถึง 12V ที่ความถี่การสลับที่แตกต่างกัน

ประการที่สองเพื่อให้สามารถใช้ประโยชน์ที่แท้จริงของ GaN ได้จำเป็นต้องเปลี่ยนด้วยความเร็วชั่วคราวที่สูง ค่าตั้งแต่ 10V / ns ถึง 100V / ns และสูงกว่านั้นเป็นไปได้ องค์ประกอบหลักที่รับผิดชอบต่อความเร็วชั่วคราวคือตัวขับเกต ตามธรรมชาติแล้วการออกแบบวงจรที่เหมาะสมโดยเฉพาะการกำหนดเส้นทางไฟฟ้าการกำหนดเส้นทางและการแยกส่วนเกต - ลูปจำเป็นต้องได้รับการดำเนินการเพื่อให้ตัวขับเกตและ GaN ทำงานได้อย่างเหมาะสมที่สุด โดยทั่วไปโปรแกรมควบคุมประตู MOSFET มาตรฐานอาจสามารถขับ GaN ได้ในบางกรณี แต่จะไม่ถึงประสิทธิภาพที่ดีที่สุด เป็นผลให้ประโยชน์ของการใช้ GaN หายไปบางส่วน ตัวขับเกตที่เปลี่ยน GaN ด้วยความเร็วชั่วคราวสูงจะต้องตอบสนองความต้องการเฉพาะในขณะเดียวกันก็ต้องเผชิญกับความเครียดที่สำคัญในเวลาเดียวกัน ข้อกำหนดที่เข้มงวดเหล่านี้สามารถทำได้โดยตัวขับเกตที่ได้รับการพัฒนาอย่างรอบคอบเพื่อทำงานร่วมกับ GaN

ข้อผิดพลาดสำหรับ GaN Gate-Driving

ทรานซิสเตอร์ GaN ในการใช้พลังงานมีศักยภาพมากมาย: ประสิทธิภาพการใช้พลังงานที่สูงขึ้นความหนาแน่นของพลังงานที่สูงขึ้นการออกแบบอ่างความร้อนที่มีศักยภาพ / การออกแบบที่ไม่ใช้พัดลม ... อย่างไรก็ตามการได้รับประโยชน์สูงสุดจากขั้นตอน GaN นั้นต้องใช้ความระมัดระวังในการขับขี่

อัตราการฆ่าสูง

การขับทรานซิสเตอร์ GaN นั้นคลุมเครือมาก อุปกรณ์เหล่านี้ได้รับเลือกสำหรับอัตราการฆ่าแรงดันไฟฟ้าที่มีขนาดใหญ่โดยเนื้อแท้ (เกิน 100V / ns) ซึ่งนำไปสู่การสูญเสียการสลับที่ต่ำมาก (การสูญเสียที่เกิดขึ้นเมื่อ Vds และ Ids ไม่ใช่ศูนย์) การสลับอย่างรวดเร็วระหว่างทรานซิสเตอร์ต่ำและสูงทำให้กระแสโหลดสลับกันอย่างรวดเร็วระหว่างโหลดและแรงดันไฟฟ้าขาเข้า (เช่นแอพพลิเคชั่นตัวแปลงบั๊ก) สิ่งนี้ก่อให้เกิดข้อ จำกัด อย่างหนักต่อการแยกแรงดันไฟฟ้าของบัสเช่นเดียวกับ PCB แทร็กไปยังฮาล์ฟบริดจ์ทำให้เกิดการเกินซึ่งกำหนดไว้สูงโดยการเหนี่ยวนำของบัสลูป นอกจากนี้อัตราการฆ่าที่สูงจะฉีดกระแสสูงสุดขนาดใหญ่เข้าไปในเส้นทางการขับประตูผ่านความจุของแหล่งระบายของทรานซิสเตอร์นอกสถานะ

กาฝากเปิดเครื่อง

ในการกำหนดค่าครึ่งสะพานการเปิดแบบกาฝากสามารถเกิดขึ้นได้กับทรานซิสเตอร์ที่ปิดอยู่เมื่อแรงดันไฟฟ้าของแหล่งระบายน้ำเพิ่มขึ้นเป็นแรงดันบัสโดยกะทันหันไม่ว่าจะโดยทรานซิสเตอร์ฝ่ายตรงข้ามหรือโดยอุปนัยผ่านกระแสโหลด กระแสไฟฟ้านี้จะถูกแปลงเป็นแรงดันเกตที่ไม่ใช่ศูนย์ทั้งโดยอิมพีแดนซ์ดึงลงของตัวขับเกตและตัวเหนี่ยวนำลูปแหล่งเกต หากแรงดันไฟฟ้านี้สูงกว่าแรงดันไฟฟ้าเกณฑ์กระแสไฟฟ้าข้ามจะเกิดขึ้นระหว่างสวิตช์ด้านสูงและด้านต่ำของครึ่งสะพาน การเหนี่ยวนำลูปประตูต่ำเป็นไปได้เฉพาะในการรวมเสาหลักร่วมกันของพาวเวอร์สเตจและเกตไดร์เวอร์ซึ่งเป็นที่ต้องการอย่างมากสำหรับเส้นทางดึงลงและดึงขึ้นแยกต่างหากสำหรับทรานซิสเตอร์ GaN แต่ละตัว Dead-Time Dead-time ใน half-bridge คือเวลาระหว่างเหตุการณ์ปิดของทรานซิสเตอร์หนึ่งตัวกับเหตุการณ์เปิดของทรานซิสเตอร์เสริมบริดจ์ การควบคุมเวลาตายอย่างละเอียดเป็นสิ่งสำคัญ เวลาหยุดทำงานสั้นเกินไปจะทำให้เกิดการสูญเสียส่วนเกินเนื่องจากความจุของแหล่งระบายน้ำของ GaN ถูกระบายออกโดย GaN เสริม การสลับแรงดันไฟฟ้าเป็นศูนย์เกิดขึ้นในช่วงเวลาที่หยุดทำงานมากขึ้นทำให้สามารถระบายความจุของแหล่งระบายออกโดยตัวเหนี่ยวนำ (ในตัวแปลงบั๊ก) ดังนั้นพลังงานนี้จะไม่กระจายไป เวลาตายที่นานเกินไปจะทำให้เกิดการสูญเสียที่มากขึ้นเนื่องจากการนำ GaN แบบย้อนกลับที่มีศูนย์ Vgs อาจมีแรงดันไฟฟ้าตกมากขึ้น (ไม่กี่โวลต์) เมื่อเทียบกับไดโอด เวลาตายที่คงที่จะนำไปสู่ประสิทธิภาพที่ไม่เหมาะสมและต้องได้รับการปรับให้เข้ากับเวลาตายที่เหมาะสมเพื่อการสูญเสียน้อยที่สุดซึ่งขึ้นอยู่กับการใช้งานเป็นอย่างมาก

เกทโอเวอร์ชาร์จ

ในการใช้งานเกทไดรฟ์ที่ไม่แยกส่วน ไดรเวอร์เกทมักจะถูกจ่ายผ่านการบูตสแตรปของแหล่งจ่ายแรงดันต่ำ เทคนิคนี้จะชาร์จการแยกตัวจ่ายไฟของไดรเวอร์เกตฝั่งสูง capacitor ผ่านไดโอดไฟฟ้าแรงสูงที่รวดเร็ว สิ่งนี้จะสร้างแรงดันไฟฟ้าแบบลอยตัวซึ่งใช้ในการจ่ายวงจรแบบลอยทั้งหมดที่ใช้ในการขับเคลื่อนพรีไดรเวอร์ฝั่งสูง ดังที่อธิบายไว้ก่อนหน้านี้ เวลาตายที่ไม่เป็นศูนย์จะทำให้แรงดันไฟฟ้าจากแหล่งเดรนของทรานซิสเตอร์ GaN ข้างต่ำ ขึ้นอยู่กับทิศทางขนาดกระแสของโหลด มีค่าต่ำกว่าศูนย์ สิ่งนี้ทำให้ตัวเก็บประจุบูตสแตรปชาร์จเกินแหล่งจ่ายไฟอินพุตได้อย่างมีประสิทธิภาพ เป็นที่รู้กันว่าเกท GaN มีความไวต่อแรงดันไฟเกินของเกทอย่างฉาวโฉ่ ดังนั้นเกทจึงต้องมีการป้องกันการชาร์จไฟเกินเพื่อให้มั่นใจถึงความน่าเชื่อถือของคอนเวอร์เตอร์ ในทางปฏิบัติสิ่งนี้จะลดลงโดยการใช้โครงสร้างจับยึด โดยมีต้นทุนในการใช้พลังงานของตัวขับเกตที่เพิ่มขึ้นและอสังหาริมทรัพย์ของ PCB โดยประสิทธิภาพจะถูกจำกัดโดยปรสิตของ PCB

การทำงานของแรงดันไฟฟ้าขาออกเชิงลบ

การแกว่งเป็นลบของแรงดันไฟฟ้าขับเอาท์พุทขึ้นอยู่กับความเหนี่ยวนำของแหล่งกาฝากและสภาวะโหลดของตัวแปลงไฟซึ่งสามารถคาดการณ์ได้ไม่ดี สำหรับการทำงานที่คาดเดาได้จำเป็นต้องมีการรับประกันว่าสามารถควบคุมบริดจ์คอนเวอร์เตอร์ได้ตลอดเวลาแม้ว่าจะมีแรงดันไฟฟ้าติดลบเมื่อเทียบกับแหล่งจ่ายก็ตาม ในตัวเปลี่ยนระดับแบบคู่ DC ต้องใช้ความระมัดระวังเป็นพิเศษเพื่อให้สามารถทำงานได้ต่ำกว่าแหล่งจ่าย

การทำงานของวงจรการทำงานสูง

การทำงานของตัวขับเกตแบบบูตเป็นวิธีที่ง่ายและมีประสิทธิภาพในการจ่ายประจุเพื่อควบคุมทรานซิสเตอร์ด้านสูงตัวอย่างเช่นในฮาล์ฟบริดจ์ หลีกเลี่ยงไม่ได้ที่จะมีการรั่วไหลขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและความลำเอียงสำหรับการรองรับวงจรที่จำเป็นในระบบก่อนไดร์เวอร์ซึ่งทำให้แรงดันไฟฟ้าบูตสแตรปรั่วออกไป หากแรงดันบูตสแตรปลดลงต่ำกว่าแรงดันไฟฟ้าขั้นต่ำที่กำหนด (มักตรวจสอบผ่านวงจรตรวจจับแรงดันตกบนบอร์ด) วงจร predriver อาจทำงานผิดพลาดและในกรณีที่เลวร้ายที่สุดอาจเป็นอันตรายต่อตัวแปลง สำหรับแอพพลิเคชั่น bootstrap capacitance และ power converter ค่านี้จะตั้งค่าสูงสุดสำหรับรอบการทำงานที่สามารถรักษาหรือจำกัดความลึกของการมอดูเลตที่สามารถใช้ได้

คำตอบ MinDCet: MDC901 ระดับไฮเอนด์ความหนาแน่นพลังงานสูงและแอปพลิเคชั่นการสลับที่รวดเร็วเรียกร้องให้มีสเตจ GaN ซึ่งจำเป็นต้องใช้ไดรเวอร์เฉพาะเพื่อให้แน่ใจว่าการขับขี่ที่เชื่อถือได้และปกป้องขั้นตอน GaN ที่มีค่า

เพื่อจัดการกับข้อผิดพลาดที่อธิบายไว้ก่อนหน้านี้และตอบสนองความต้องการ GaN ด้านประสิทธิภาพ MinDCet ได้แนะนำไดรเวอร์เกต MDC901 GaN แผนภาพบล็อกที่ปรากฎในรูปที่ 4 แสดงภาพรวมของฟังก์ชันการทำงานที่สำคัญการแก้ไขข้อผิดพลาดที่สำคัญที่อธิบายไว้ในส่วนก่อนหน้านี้

เส้นทางดึงขึ้นและดึงลงแยกกันช่วยให้สามารถปรับความเร็วเทิร์นออนและส่งผลให้อัตราการเคลื่อนที่ของสเตจเอาท์พุทลดลงในขณะที่รักษาพา ธ แบบดึงลงอิมพีแดนซ์ต่ำสำหรับทรานซิสเตอร์ GaN สิ่งนี้ช่วยให้แรงดันเกต - ซอร์สอยู่ภายใต้การควบคุมในสถานะปิดเพื่อหลีกเลี่ยงการเปิดใช้งานแบบกาฝากแม้จะอยู่ภายใต้กระแส capacitive ที่ประตูระบายน้ำสูง

เวลาหยุดทำงานสำหรับการเปิดและปิดสามารถตั้งค่าได้ผ่านชุดอินพุตดิจิทัล สิ่งนี้ช่วยให้สามารถปรับแต่งเวลาตายแบบคงที่สำหรับแอปพลิเคชันที่กำหนดหรือใช้ร่วมกับคอนโทรลเลอร์ซึ่งสามารถดำเนินการแบบไดนามิกเพื่อประสิทธิภาพที่ดีที่สุด นอกจากนี้ยังสามารถตั้งค่า Dead-time ในโหมดอัตโนมัติได้ วงปิดจะรับรู้ถึงแรงดันไฟฟ้าของประตู GaN และประตูจะเปิดเมื่อประตู GaN เสริมปิดอยู่เท่านั้น นี่คือโหมดการทำงานที่ไม่ปลอดภัย

ความเสี่ยงของการเกตชาร์จไฟเกินในระหว่างการทำงานของแรงดันไฟฟ้าเชิงลบได้รับการแก้ไขโดยการวางเรกูเลเตอร์แบบลอยเต็มทั้งในโดเมนด้านสูงและด้านต่ำหลังจากไดโอดบูตสแตรป ส่งผลให้มีแรงดันไฟฟ้าของตัวขับเกตที่กำหนดไว้อย่างดีและมีการป้องกัน

รูปที่ 4: บล็อกไดอะแกรมของไดรเวอร์เกต MDC901 GaN

รูปที่ 5: คณะกรรมการประเมินครึ่งบริดจ์ MDC901 100V

รับประกันการทำงานของแรงดันไฟฟ้าขาออกที่เป็นลบถึง -4V ทำให้สามารถควบคุมประตูได้อย่างแม่นยำแม้อยู่ภายใต้กระแสอุปนัยสูง สิ่งนี้ได้รับการรองรับโดยตัวเปลี่ยนระดับที่ออกแบบมาโดยเฉพาะและการสร้างอุปทานแบบลอยตัว

สำหรับการใช้งานรอบสูง (เช่นไดรเวอร์มอเตอร์และแอมพลิฟายเออร์คลาส D) จำเป็นต้องรักษาสถานะด้านสูงไว้เป็นระยะเวลานานขึ้น ฟังก์ชั่นนี้ใช้งานโดยปั๊มประจุแบบบูรณาการซึ่งชดเชยความลำเอียง DC ภายใต้เงื่อนไขรอบการทำงาน 100%

MDC901 เป็นโซลูชันระดับไฮเอนด์และคุณสมบัติที่หลากหลายในการขับเคลื่อนทรานซิสเตอร์ GaN ด้วยวิธีที่เชื่อถือได้เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพสูงสุดในแอปพลิเคชันที่กำหนด ไดรเวอร์ได้รับการพัฒนาสำหรับโซลูชัน DC-DC แต่สามารถใช้กับแอปพลิเคชันการขับขี่ GaN อื่น ๆ ทั้งหมดเช่น LIDAR ไดรเวอร์มอเตอร์และ อิเล็กทรอนิกส์ การใช้งานฟิวส์ที่ต้องการความสามารถ 200V ที่แท้จริง เพื่อให้สามารถออกแบบตัวขับเกต MDC901 ได้ง่ายและรวดเร็วในการใช้งานที่หลากหลายคณะกรรมการประเมินครึ่งสะพาน 100V ในโทโพโลยีตัวแปลงบั๊กดังแสดงในรูปที่ 5 ได้รับการพัฒนาเพื่อช่วยเหลือนักออกแบบอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง

สรุป

การเปิดใช้ประโยชน์ที่แท้จริงของสเตจกำลังของ GaN จำเป็นต้องใช้ตัวขับเกตที่ได้รับการปรับให้เหมาะสมซึ่งได้รับการออกแบบมาโดยเฉพาะเพื่อทำงานกับทรานซิสเตอร์ GaN ผลที่ตามมาสามารถผลักดัน GaN ไปสู่ขีด จำกัด โดยให้ประสิทธิภาพสูงสุดเท่าที่จะเป็นไปได้ซึ่งให้ผลตอบแทนสูงสุดจากการลงทุนทางเทคโนโลยีและการเงิน ตัวขับเกตแยกเช่น MDC901 ช่วยให้ผู้ใช้มีความยืดหยุ่นการวินิจฉัยและชุดคุณลักษณะเพิ่มเติมสำหรับการเลือกทรานซิสเตอร์ GaN ที่เหมาะสมที่สุดสำหรับแอปพลิเคชันที่กำหนด