GaN teknoloji güç aşamaları için gerçek bir kolaylaştırıcıdır ve bugün önceki on yılda düşünülemez bir performans sağlamaktadır. GaN'den maksimum performans ve faydalar, yalnızca kapı sürücüsünün transistörlerle aynı düzeyde performans ve yenilikle eşleşmesi durumunda elde edilir. Uzun yıllar süren araştırma ve geliştirme sonrasında MinDCet, MDC901 geçit sürücüsünü tanıtarak GaN geçit sürüşündeki tuzakların üstesinden geldi.
Giriş
On yıl önce ilk galyum nitrür (GaN) transistörlerin piyasaya sürülmesinden bu yana, bunların güç elektroniğindeki avantajları iyi bilinmektedir. Aslında GaN'nin malzeme özellikleri, belirli bir direnç için daha düşük parazitik kapasitanslar, doğal hızlı anahtarlama geçişleri, ters geri kazanım eksikliği ve yüksek sıcaklıkta çalışma kapasitesi sunar. Bu mükemmel özellikler, görünüşte yüksek performanslı güç dönüştürücüler için mükemmel bir kombinasyondur.
Ancak GaN'ın performans potansiyeline ulaşmak için iki önemli hususun dikkate alınması gerekir. İlk olarak, GaN'in hızlı geçici anahtarlama kapasitesinin doğrudan önemli ölçüde daha yüksek anahtarlama frekanslarına ve bunun sonucunda da daha yüksek verimliliğe yol açacağı yaygın bir anlayıştır. GaN optimum hızda anahtarlandığında aslında daha düşük anahtarlama kayıpları gösterecektir. MOSFET teknoloji, belirli bir frekans için. Nispeten daha düşük GaN anahtarlama kayıplarının temel nedeni, anahtarlama geçici durumu sırasındaki sürenin azalmasıdır. Voltaj ve akım aynı anda anahtar üzerinde ve anahtar aracılığıyla mevcuttur. Bu anahtarlama kaybının neden olduğu Joule kayıpları frekansla doğrusal olarak artar. Sonuç olarak, GaN giderek daha yüksek anahtarlama frekanslarında çalıştırıldığında ortaya çıkan GaN verimliliği, GaN verimliliğine eşit veya potansiyel olarak daha düşük olabilir. mosfettabanlı dönüştürücü. Daha yüksek anahtarlama frekanslarında GaN'ın verimlilik avantajları azalsa da, GaN tabanlı dönüştürücüler ayrıca daha yüksek güç yoğunluğuna denk gelen daha küçük depolama pasiflerinin kullanımından da yararlanır.
Şekil 1: 48V ila 3.3V GaN tabanlı bir dönüştürücü için farklı anahtarlama frekanslarında çıkış akımının bir fonksiyonu olarak ölçülen verimlilik.
Bu etki, MinDCet MDC48 kapı sürücüsü, GaN Systems GS3.3P yarım köprü ve WE-HCF 901uH/61008A güç etrafında inşa edilmiş 1.4V ila 31.5V düşürücü dönüştürücüyle gösterilmiştir. indüktörŞekil 5'te gösterildiği gibi düşük dönüştürücü görev döngüsü, hızlı anahtarlama geçici hızlarından yararlanır ve eşdeğer bir eşdeğere göre yüzde 10 ila 15'lik bir verimlilik artışı sağlar. MOSFETAynı anahtarlama frekansında tabanlı dönüştürücü. Şekil 1'deki Buck dönüştürücü ölçümü, GaN'in yeteneklerine rağmen anahtarlama frekansı arttıkça dönüşüm verimliliğinin azaldığını göstermektedir. Zaten 300 kHz'lik orta anahtarlama frekanslarında, 1'den 100 kHz'e kadar ölçülen frekanslarda anahtarlama frekansında ilave 300 kHz başına yaklaşık yüzde 700'lik net bir verimlilik düşüşü gözlemlenebilir.
48V ila 12V arası bir dönüştürücü için bu değiş tokuş değişir. Şekil 2 incelendiğinde, GaN dönüştürücü verimliliği, 10 ila 300 kHz aralığında düşük ila orta dereceli yüklerde (yaklaşık 700A'ya kadar) daha yüksek bir anahtarlama frekansından yararlanır. Dikkat edilmesi gereken, seçilen indüktörün dönüştürücü verimliliği üzerinde etkisi olduğudur. GaN tabanlı dönüştürücü tasarımında doğru ödünleşimlerin yapılmasına dikkat edilmelidir.
Şekil 2: 48V ila 12V GaN tabanlı bir dönüştürücü için farklı anahtarlama frekanslarında çıkış akımının bir fonksiyonu olarak ölçülen verimlilik.
İkinci olarak, GaN'ın gerçek faydalarını sağlamak için yüksek geçici hızlarda geçiş yapmak gerekir. 10V/ns'den 100V/ns'ye kadar ve üzeri değerler mümkündür. Geçici hızdan sorumlu ana bileşen kapı sürücüsüdür. Doğal olarak, kapı sürücüsünün ve GaN'nin işlerini en iyi şekilde yapabilmesini sağlamak için uygun devre tasarımının, özellikle güç yönlendirme, kapı döngüsü yönlendirme ve ayırmanın uygulanması gerekir. Genel olarak standart bir MOSFET kapı sürücüsü, benzersiz durumlarda GaN'yi çalıştırabilir ancak optimum performansa ulaşılamaz. Sonuç olarak GaN kullanmanın faydaları kısmen kaybolur. GaN'yi yüksek geçici hızlarda anahtarlayan bir kapı sürücüsünün, aynı anda önemli gerilimlere maruz kalırken belirli gereksinimleri de karşılaması gerekir. Bu katı gereksinimler yalnızca GaN ile çalışmak üzere dikkatle geliştirilmiş bir kapı sürücüsü tarafından karşılanabilir.
GaN Geçit Sürüşünün Tuzakları
Güç uygulamalarındaki GaN transistörleri çok fazla potansiyele sahiptir: daha yüksek güç verimliliği, daha yüksek güç yoğunluğu, potansiyel ısı emici/fansız tasarım,… Ancak GaN aşamasından maksimum faydayı elde etmek, yol boyunca tuzaklardan kaçınarak dikkatli sürüş gerektirir.
Yüksek Dönüş Hızları
GaN transistörlerini sürmek çok belirsizdir. Bu cihazlar, çok düşük anahtarlama kayıplarına (Vds ve Ids sıfır olmadığında ortaya çıkan kayıplar) yol açan, doğası gereği büyük voltaj değişim hızları (100V/ns'yi aşan) nedeniyle seçilir. Düşük ve yüksek taraf transistörleri arasındaki hızlı geçiş, yük akımının yük ve giriş voltajı arasında çok hızlı değişmesine neden olur (örn. düşürücü dönüştürücü uygulamaları). Bu, bara voltajının ayrıştırılmasında sert kısıtlamalar oluşturur, çünkü pcb Yarım köprüye giden yollar, veri yolu döngü endüktansı tarafından yüksek oranda tanımlanan aşmaya neden olur. Ek olarak, yüksek dönüş hızları, durum dışı transistörün drenaj kaynağı kapasitansı boyunca geçit sürüş yoluna büyük tepe akımları enjekte eder.
Parazitik Çalıştırma
Yarım köprü konfigürasyonunda, drenaj kaynağı voltajı karşıt transistör tarafından aktif olarak veya yük akımı yoluyla endüktif olarak bara voltajına aniden arttığında kapatılan transistörde parazitik açılma meydana gelebilir. Bu akım, hem kapı sürücüsü aşağı çekme empedansı hem de kapı kaynağı döngü endüktansı tarafından sıfır olmayan bir kapı voltajına dönüştürülecektir. Bu gerilim eşik geriliminden yüksekse yarım köprünün yüksek ve alçak taraf anahtarları arasında çapraz akım meydana gelecektir. Düşük kapı döngüsü endüktansı yalnızca güç aşaması ve kapı sürücüsünün monolitik eş-integrasyonunda mümkündür; burada her GaN transistörü için ayrı bir aşağı ve yukarı çekme yolu çok arzu edilir. Ölü Zaman Yarım köprüdeki ölü zaman, bir transistörün kapanma olayı ile tamamlayıcı köprü transistörünün açılma olayı arasındaki süredir. Ölü zamanın ayrıntılı kontrolü esastır. Ölü zamanın çok kısa olması, GaN drenaj-kaynak kapasitansının tamamlayıcı GaN tarafından boşaltılması nedeniyle aşırı kayıplara neden olacaktır. Sıfır voltaj anahtarlaması daha büyük ölü zamanlarda meydana gelir ve drenaj kaynağı kapasitansının indüktör tarafından (bir dönüştürücüde) boşaltılmasına olanak tanır. Sonuç olarak bu enerji boşa gitmez. Çok uzun ölü zamanlar, sıfır Vgs'li bir GaN'nin ters iletimi, bir diyotla karşılaştırıldığında daha büyük bir voltaj düşüşüne (birkaç volt) maruz kalacağından daha büyük kayıplara neden olacaktır. Sabit ölü zamanlar optimumun altında bir verimliliğe yol açar ve minimum kayıp için uygun ölü zamana ayarlanması gerekir ki bu da büyük oranda uygulamaya bağlıdır.
Geçit Aşırı Şarjı
Yalıtılmamış kapı sürücüsü uygulamalarında, kapı sürücüsü genellikle düşük voltaj kaynağının önyüklemesi yoluyla sağlanır. Bu teknik, yüksek taraftaki kapı sürücüsü beslemesinin ayrıştırılmasını şarj edecektir kondansatör hızlı bir yüksek voltaj diyotu aracılığıyla. Bu, yüksek taraf ön sürücüsünü sürmek için kullanılan tüm değişken devreleri beslemek için kullanılan değişken bir voltaj üretir. Daha önce açıklandığı gibi sıfır olmayan ölü süre, yükün mevcut büyüklük yönüne bağlı olarak düşük taraf GaN transistörünün drenaj kaynağı voltajının sıfırın altına düşmesine neden olacaktır. Bu, önyükleme kapasitörünün giriş kaynağının ötesinde şarj olmasına etkili bir şekilde neden olur. Bir GaN geçidinin geçit aşırı gerilimlerine karşı oldukça hassas olduğu bilinmektedir, bu nedenle dönüştürücünün güvenilirliğini sağlamak için geçidin aşırı şarja karşı korunması gerekir. Uygulamada bu, artan geçit sürücüsü güç tüketimi ve etkinliği PCB parazitleri tarafından sınırlanan PCB mülkü pahasına kenetleme yapılarının kullanılmasıyla azaltılır.
Negatif Çıkış Geriliminde Çalışma
Çıkış sürücüsü voltajının negatif salınımı, parazitik kaynak endüktansına ve güç dönüştürücünün yük koşullarına bağlıdır ve bu da kötü tahmin edilebilir. Tahmin edilebilir çalışma için, besleme topraklarına kıyasla gerilim negatife gittiğinde bile dönüştürücü köprüsünün her zaman kontrol edilebileceğinin garantisi gereklidir. DC bağlantılı bir seviye değiştiricide, besleme toprağının altında çalışmaya izin vermek için özel önlemler alınmalıdır.
Yüksek Görev Döngüsü Çalışması
Bir kapı sürücüsünün önyüklemeli çalışması, örneğin bir yarım köprüde yüksek taraf transistörünü kontrol etmek için şarj sağlamak için basit ve etkili bir araçtır. Kaçınılmaz olarak, ön sürücü sisteminde ihtiyaç duyulan destek devreleri için sıcaklığa bağlı sızıntı ve önyargı vardır; bu da önyükleme voltajının sızmasına neden olur. Önyükleme voltajı belirli bir minimum voltajın altına düşerse (genellikle yerleşik düşük voltaj algılama devresi aracılığıyla izlenir), ön sürücü devresi hatalı davranabilir ve en kötü durumda dönüştürücüye zarar verebilir. Belirli bir önyükleme kapasitansı ve güç dönüştürücü uygulaması için bu, sürdürülebilecek görev döngüsünde bir maksimum belirler veya kullanılabilecek modülasyon derinliğini sınırlar.
MinDCet Yanıtı: MDC901 Üst düzey, yüksek güç yoğunluğu ve hızlı anahtarlama uygulamaları, güvenilir sürüş sağlamak ve değerli GaN aşamasını korumak için belirli bir sürücünün gerekli olduğu bir GaN güç aşamasını gerektirir.
Daha önce açıklanan tuzakların üstesinden gelmek ve GaN'nin talep ettiği performansı sağlamak için MinDCet, MDC901 GaN geçit sürücüsünü tanıttı. Şekil 4'te gösterilen blok diyagram, önceki bölümlerde açıklanan önemli zorlukları çözerek temel işlevlere genel bir bakış sağlar.
Ayrı yukarı ve aşağı çekme yolları, GaN transistörü için düşük empedanslı bir aşağı çekme yolunu korurken dönüş hızının ve dolayısıyla çıkış katının dönüş hızının ayarlanmasına olanak tanır. Bu, yüksek drenaj kapısı kapasitif akımları altında bile parazitik açılmayı önleyerek, kapalı durumda geçit kaynağı voltajını kontrol altında tutar.
Açma ve kapatma için ölü zaman, bir dizi dijital giriş aracılığıyla ayarlanabilir. Bu, belirli bir uygulama için veya bir kontrolörle birlikte ölü zamanın statik olarak ayarlanmasına olanak tanır; bu, optimum verimlilik için dinamik olarak gerçekleştirilebilir. Ek olarak otomatik modda ölü zaman ayarlanabilir. Kapalı bir döngü, GaN geçidi voltajlarını algılar ve geçit yalnızca tamamlayıcı GaN geçidi kapalı olduğunda açılır. Bu, arıza korumalı bir çalışma modudur.
Negatif voltaj çalışması sırasında kapının aşırı şarj edilmesi riski, önyükleme diyotundan sonra hem yüksek hem de alçak taraf alanına tamamen kayan regülatörler yerleştirilerek çözülür. Bu, iyi tanımlanmış ve sağlam bir şekilde korunan kapı sürücüsü voltajıyla sonuçlanır.
Şekil 4: MDC901 GaN geçit sürücüsünün blok şeması.
Şekil 5: MDC901 100V yarım köprü değerlendirme kartı.
Negatif çıkış voltajı çalışması -4V'a kadar garanti edilir ve yüksek endüktif akımlarda bile doğru kapı kontrolüne olanak tanır. Bu, özel olarak tasarlanmış bir seviye değiştirici ve değişken tedarik üretimi ile sağlanmıştır.
Yüksek görev döngüsü uygulamaları için (örn. motor sürücüleri ve D sınıfı amplifikatörler), daha uzun süre boyunca yüksek tarafın açık durumda tutulması zorunludur. Bu işlevsellik, %100 görev döngüsü koşulları altında DC sapmasını telafi eden entegre bir şarj pompası tarafından uygulandı.
MDC901, belirli bir uygulamada performansı en üst düzeye çıkarmak için GaN transistörlerini güvenilir bir şekilde sürmek için üst düzey ve zengin özelliklere sahip bir çözüm sunar. Sürücü DC-DC çözümleri için geliştirildi ancak LIDAR, motor sürücüleri ve diğer tüm GaN sürüş uygulamaları için kullanılabilir. elektronik Gerçek 200V kapasitesi gerektiren sigorta uygulamaları. MDC901 kapı sürücüsünün çeşitli uygulamalarda kolay ve hızlı tasarımını mümkün kılmak için, güç elektroniği tasarımcılarına yardımcı olmak amacıyla, Şekil 100'te gösterildiği gibi, dönüştürücü topolojisinde 5V'luk bir yarım köprü değerlendirme kartı geliştirildi.
Sonuç
GaN güç aşamalarının gerçek faydalarından yararlanmak, özellikle GaN transistörleriyle çalışmak üzere tasarlanmış optimize edilmiş bir kapı sürücüsünün uygulanmasını gerektirir. Sonuç olarak, GaN, teknolojik ve parasal yatırımdan maksimum getiri sağlayan mümkün olan en yüksek performansı sağlayarak sınırlara kadar zorlanabilir. MDC901 gibi ayrı bir kapı sürücüsü, kullanıcıya belirli bir uygulama için en uygun GaN transistörlerini seçme konusunda esneklik, teşhis ve genişletilmiş özellik seti sağlar.