Регистрация
Комплексные поставки электронных компонентов
Автор: Ngee Hou Tan | Thomas Beer

Всё, что требуется, - выбрать интегральное решение.


В статье рассматриваются причины все более широкого применения GaN-материалов в силовой электронике и их преимущества, подробно описываются новейшие интегральные решения, которые могут стать привлекательной альтернативой классическим дискретным компонентам. Кроме того, даются рекомендации по выбору дискретных и интегральных системных GaN-решений Infineon, улучшающих выбор коммутационной технологии для источников питания. В статье также обсуждаются варианты GaN-изделий высокой, средней и малой мощности с разными уровнями гибкости и интеграции.

Введение

Современные импульсные источники питания (ИИП) меньше, эффективнее и дешевле своих предшественников. основой их высокой производительности являются коммутационные технологии. От разработчика требуется сделать правильный выбор - найти лучший компонент, отвечающий потребностям ИИП.

Хотя кремний является самым востребованным полупроводниковым компонентом, в настоящее время все большее распространение получает новая группа материалов с широкой запрещенной зоной (WBG). В качестве одного из примеров можно привести нитрид галлия (GaN), который на протяжении многих лет использовался в радиочастотных системах, а теперь уже несколько лет применяется в средне-и высоковольтных силовых ключах. Совсем недавно GaN нашел применение в ключах для силовой электроники.


Рис. 1. Значения мощности и коммутационной частоты семейств силовых WBG- и кремниевых ключей компании Infineon

На рисунке 1 схематично показано, в каких областях приборы с широкой запрещенной зоной станут предпочтительным выбором. Благодаря всей совокупности преимуществ GaN-транзисторов перед Si-приборами появляется возможность конструировать источники питания с гораздо большей плотностью мощности, более высоким КПД и более высокими частотами переключений.

Преимущества GAN-тeхнологии

GaN-транзистор с высокой подвижностью электронов (HEMT) имеет несколько ключевых преимуществ перед кремниевыми силовыми приборами. В частности, у GaN HEMT меньше выходные паразитные емкости COSS и более линейные характеристики, в 10 раз меньше емкость затвора CG, нулевые потери обратного восстановления из-за отсутствия внутреннего диода, который имеется в традиционных MOSFET. Благодаря более высокой подвижности электронов (дырок) в канале GaN HEMT та же величина произведения RON на площадь кристалла достигается при более высокой скорости переключения и меньших коммутационных потерях в сочетании с превосходным динамическим сопротивлением открытого канала.

Благодаря таким характеристикам ключи GaN HEMT являются предпочтительным выбором для высокоскоростной коммутации, позволяя экономить потребляемую мощность и сократить общую стоимость системы за счет меньшего размера внешних дросселей или конденсаторов. В результате появляется возможность увеличить рабочую частоту, повысив удельную мощность и общую эффективность системы. При работе на частоте до нескольких МГц скорость переключения является очень важным показателем. Например, высокая скорость коммутации компонентов CoolGaN от Infineon позволяет существенно сократить мертвое время, повысив эффективность.

Возможно, одной из наиболее важных и отличительных особенностей силового транзистора на основе GaN является его характеристика обратного восстановления. Поскольку транзисторы CoolGaN от Infineon не имеют неосновных носителей и внутреннего диода, у этих приборов отсутствует обратное восстановление. Таким образом, в большинстве широко известных двухтактных (полумостовых) топологий с жестким переключением отсутствуют сопутствующие потери мощности, что позволяет увеличить эффективность преобразователей.

Второй наиболее отличительной особенностью GaN-ключей с широкой запрещенной зоной в сравнении с MOSFET является то, что у первых из них напряжение лавинного пробоя выше, чем у вторых: 600/650-В GaN HEMT выдерживают кратковременные перенапряжения в переходном процессе, превышающие 750 В, и не испытывают лавинного пробоя, который мог бы привести к мгновенному электрическому перенапряжению (electrical overstress, EOS), как в случае использования ключей MOSFET. Это одна из причин, по которой они более устойчивы по сравнению с кремниевыми аналогами. В технических описаниях величина перенапряжения GaN HEMT, прошедших квалификационные испытания короткими импульсами более 10 млн раз в переходных процессах, указана равной 750 В.

Кроме того, испытания на надежность и проверка на соответствие GaN HEMT WBG выполняются в соответствии с новыми стандартами JEDEC 2019: JEP180 (методы и процедуры), JEP173 (метод испытания динамического сопротивления открытого канала GaN-приборов) и JEP182 (методы испытаний на срок службы и непрерывное переключение GaN-приборов).


Рис. 2. Сравнение конструкций силовых ключей с вертикальным и боковым каналами

Из рисунка 2 видно, что у GaN HEMT, например CoolGaN от Infineon, между истоком и стоком имеется боковой проводящий канал, в отличие от вертикального канала стандартных кремниевых MOSFET. Благодаря такой структуре в дальнейшем интегрированные силовые каскады (Integrated Power Stages, IPS) ключей GaN HEMT получат больше интеллектуальных функций. Заметим также, что тыльная сторона GaN-структуры находится на истоке (земле), в отличие от классических ключей MOSFET. В результате у GaN-ключей меньше паразитная емкость корпуса (CPK), проще интеграция в корпус, и в некоторых случаях исключается необходимость в изолирующем термоинтерфейсе с радиатором стандартных MOSFET со стоком (стороной активного высокого напряжения) на тыльной стороне.

Благодаря очень устойчивой структуре p-Gate ключей CoolGaN HEMT сокращается стоимость спецификации за счет устранения двух дополнительных диодов, которые обычно устанавливаются для ограничения напряжения на затворе. Входом по-прежнему очень просто управлять с помощью классических драйверов затвора с тремя дискретными компонентами RG, RSS, CON (Rrc, см. рис. 3). Классический резистор затвора RG предназначен для управления скоростью нарастания напряжения dV/dt, резистор RSS - для поддержания канала в открытом состоянии в установившемся режиме в диапазоне прямого тока 5-25 мА, а емкость CON - для формирования быстрого отрицательного импульса и безопасного выключения благодаря низкому уровню VTH GaN HEMT без малейшего риска повторного включения.

В случаях проектирования ИИП высокой мощности (намного превышающей 1-2 кВт) и дискретных блоков питания с силовыми GaN-ключами с наименьшими значениями RDS(ON) и RTH рекомендуется использовать семейство драйверов затвора EiceDRIVER от Infineon. Компания выпускает специализированные GaN-драйверы EiceDRIVER с усиленной и функциональной изоляцией (1EDF56xx), быстрой высокоточной стабильной синхронизацией и высокой устойчивостью к синфазным помехам (более 150 В/нс).

Необходимость в дальнейшей интеграции

CoolGaN от Infineon стала хорошо зарекомендовавшей себя надежной и высокоэффективной технологией для дискретных изделий. Недавно появилась новая первая серия одноканальных и полумостовых, высоковольтных, нормально разомкнутых ключей CoolGaN IPS с интегрированными драйверами.


Рис. 3. От гибких дискретных - к системным IPS-решениям, предназначенным для конкретного применения

На рисунке 3 в схематичном виде представлено простое в использовании руководство по интегрированным и дискретным системным решениям на основе GaN, их разные уровни и функции в зависимости от плотности интеграции. В первой строке этой диаграммы показаны блоки контроллеров и силовых ключей с соответствующими пассивными компонентами. Вторая и третья строки показывают, что изолированные драйверы GaN (iso-GaN) увеличивают возможности управляемых топологий на первичной и вторичной сторонах и степень интеграции систем высокой мощности. Третья и четвертая строки представляют системное IPS-решение, начиная с простых в использовании IPS-каскадов с драйвером затвора, и заканчивая интегрированными системными решениями для конкретных применений, заключающими в себе контроллеры для построения специализированных топологий.

Технология CoolGaN IPS объединяет один или несколько нормально разомкнутых ключей CoolGaN со специализированным драйвером затвора EiceDRIVER. Эти компоненты интегрированы в единый корпус QFN, что позволяет сократить занимаемое место на печатной плате и, следовательно, создавать системы с малым формфактором, а также снизить общие затраты. Интеграция упрощает разработку, сокращая время вывода продукции на рынок.

В качестве примера рассмотрим полумостовой 600-В ключ CoolGaN IPS в компактном корпусе QFN-28 размером 8x8 мм2 с полумостовым силовым каскадом из двух 600-В ключей CoolGaN, а также со специализированными драйверами затвора и изоляцией (см. рис. 4).


Рис. 4. а) структурная схема полумостового IPS-модуля CoolGaN; б) внешний вид компонента в корпусе QFN размером 8x8 мм2

Семейство ключей CoolGaN IPS оснащено ШИМ-входами с функциональной изоляцией и на одноканальных, и на двухканальных устройствах. Одноканальное устройство предназначено для ИИП мощностью от 100 Вт до примерно 1 кВт. Двухканальное полумостовое устройство предназначено для зарядных USB-устройств/адаптеров высокой плотности.

Каждое изделие оптимизировано под приложения большей мощности и плотности; при этом его добавление в систему максимально упрощено. Например, методы проектирования печатных плат с раздельными секциями питания сводят к минимуму помехи, воздействующие на области питания с цифровым управлением. Гальванически изолированные драйверы затвора тоже обеспечивают минимальный уровень электромагнитных помех (ЭМП) для надежной работы.

Интеграция технологии CoolGaN IPS повышает прочность конструкции, точность синхронизации, упрощает эксплуатацию, избавляет от потерь времени, необходимого для выбора драйвера затвора. Проектирование системы сведено к минимуму: по сути, разработчику требуется всего лишь обеспечить сигналом соответствующие цифровые ШИМ-входы.

Количество компонентов в спецификации сокращено за счет отсутствия необходимости в дополнительной ИС изолятора для управления высокой бутстрепной стороной. Кроме того, мала паразитная индуктивность коммутационного узла внутри корпуса и на печатной плате.

Приложения для интегрированных устройств питания на основе GAN

Одним из наиболее важных потребительских рынков источников питания является сегмент маломощных зарядных устройств и адаптеров USB-PD (см. рис. 5). Зарядные устройства, поставляемые со смартфонами, по мере совершенствования технологии становятся меньше и легче. Они обеспечивают более высокую мощность при тех же размерах устройства, чтобы зарядить его быстрее. Появилась также возможность заряжать несколько устройств от одного адаптера. К другим рынкам, на которых востребованы решения на основе GaN, относятся источники питания для ЖК-телевизоров, электроприводы и освещение. В этих сегментах, главным образом, необходимы решения с высокой удельной мощностью и силовые преобразователи с более высоким КПД.


Рис. 5. Тенденции в развитии приложений с зарядными устройствами и адаптерами

Это идеальные рынки для интегрированных решений CoolGaN IPS. системные расходы следует минимизировать для чувствительных к цене потребителей, а наименьший размер зарядных устройств является конкурентным преимуществом для поставщиков продукции. Помимо того, имеются требования по устойчивости к скачкам напряжения, защитной изоляции, соответствию CE (ЭМП) и USB.

CoolGaN IPS IGI60F1414A1L можно использовать в качестве универсального зарядного USB-устройства/адаптера с высокой удельной мощностью не только в топологии с активной схемой ограничения (AC-FB), но и с асимметричным резонансным полумостом (ASHBFB). IGI60F1414A1L поставляется в корпусе размером 8x8 мм2, что значительно сокращает занимаемое пространство на печатной плате по сравнению с дискретными компонентами.

При работе с мягким переключением в обеих топологиях энергия утечек восстанавливается, что повышает их эффективность более чем на 1% по сравнению с топологиями с одним ключом. 1% - большая прибавка для приложений такого рода. На практике КПД IPS-модулей CoolGaN достигает примерно 95% при меньшей выходной мощности около 75 Вт. Выше этой мощности КПД обычно немного снижается примерно до 93%.

Продолжая тему интеграции, Infineon предлагает полный ассортимент изделий для системных зарядных устройств USBPD. В этот ассортимент входят силовые ключи CoolMOS и CoolGaN, а также автономные контроллеры протокола EZ-PD USB.

Решения CoolGaN IPS, в первую очередь, предназначены для приложений с малой и средней мощностью. При необходимости обеспечить более высокую мощность, например для питания ультратонких OLED-телевизоров, бытовой техники, промышленного и телекоммуникационного оборудования, а также ЦОД, часто применяются дискретные силовые каскады (DPS).

Оценочная плата для экономии времени разработки

Компания Infineon предлагает оценочную плату EVAL_HB_GANIPS_G1 (см. рис. 6), позволяющую быстро настроить и протестировать полумостовые IPS-модули CoolGaN.


Рис. 6. Внешний вид оценочной платы EVAL_HB_GANIPS_G1

С помощью внешнего дросселя можно настроить полумостовую топологию оценочной платы для работы в режиме повышения или понижения, для импульсного тестирования или непрерывной работы на полной мощности до 100 Вт и частоте до 1 МГц. Плата обеспечивает прямой доступ к логическим входам чипсета CoolGaN IPS для его управления внешним микроконтроллером или цифровым сигнальным процессором.

Оценочная плата исключает необходимость в разработке собственных драйверов затвора и схемы питания для оценки функционирования GaN-ключей, позволяя сэкономить драгоценное время.

На рисунке 7 показан типичный пример использования оценочной платы для двухимпульсного тестирования. 5-В источник обеспечивает питание логики IPS-модуля и источника питания изолированного драйвера затвора. Напряжение на шине постоянного тока обеспечивается источником питания 0-400 В, а входной ШИМ-сигнал выдается лабораторным генератором импульсов. Для подключения шины постоянного тока к выходу коммутационного узла требуется тестовый дроссель. Для наблюдения и измерения его тока, а также напряжения коммутационного узла или любого другого сигнала на плате можно воспользоваться осциллографом.


Рис. 7. Типовой пример использования оценочной платы (двухимпульсный тест)

Выводы

Компания Infineon намерена предоставить полный ряд технологий для дискретных силовых ключей: CoolGaN, CoolSiC, IGBT, CoolMOS и OptiMOS. Выбор технологии подходящего компонента зависит от многих показателей.

Несмотря на всю привлекательность решения в пользу применения ключей GaN HEMT в высокочастотных приложениях, совокупные преимущества GaN-приборов позволяют использовать их вместо прежних ключей, расширив тем самым частотный диапазон в большую сторону

Сделав еще один шаг на пути увеличения степени интеграции и уменьшения влияния паразитных компонентов в приложениях с малой и средней мощностью, компания Infineon предлагает недавно выпущенные простые в использовании интегрированные приборы CoolGaN IPS, в состав которых входят силовые ключи CoolGaN и драйверы. У этих приборов - минимальные паразитные эффекты и наилучшая управляемость времени нарастания и спада (dV/dt, dI/dt).

Разработчику всегда приходится выбирать лучшее решение, но использование интегрированных силовых компонентов в качестве такого решения является наиболее предпочтительным. Эти компоненты обеспечивают высокую эффективность, прочность конструкции, высокую удельную мощность и значительную экономию места на печатной плате.

Опубликовано в журнале "Электронные Компоненты" №12, 2021 г.

Техподдержка: Infineon@symmetron.ru

Производители

Вернуться в раздел