В неустанном стремлении к миниатюризации и повышению эффективности силовые устройства на основе полевых транзисторов из нитрида галлия (GaNFET) стали идеальными кандидатами для преодоления этих ограничений. GaN — это перспективная технология, которая обещает более высокую мощность со сверхбыстрым переключением и меньшими потерями при переключении. Эти преимущества позволяют создавать решения с более высокой удельной мощностью. Современный рынок насыщен широким спектром драйверов для кремниевых MOSFET, а новые драйверы для GaN и драйверы со встроенными драйверами GaN появятся лишь через несколько лет. Наряду с простыми специализированными драйверами для GaNFET (такими как LT8418), также доступны сложные понижающие и повышающие драйверы, разработанные для GaN (LTC7890, LTC7891). Простое решение с 4 переключателями для понижающе-повышающего режима пока недоступно. Однако управление GaNFET не так сложно, как может показаться. При наличии базовых знаний драйверы, разработанные для кремниевых MOSFET, можно адаптировать для управления GaNFET. Микросхема LT8390A является отличным кандидатом, поскольку это уникальный повышающе-понижающий драйвер с частотой 2 МГц и очень малым временем задержки (25 нс) (см. рис. 1). В схеме повышающе-понижающего преобразователя резистор расположен последовательно с индуктором и вне обеих петель терморезисторов, что является новой особенностью для повышающе-понижающих драйверов. Это позволяет драйверу работать в режиме управления пиковым током как в повышающем, так и в понижающем режимах работы (а также в 4-ключевой повышающе-понижающей конфигурации). Хотя данная статья посвящена 4-ключевому GaNFET-контроллеру повышающе-понижающего преобразователя, информация может быть распространена на простые понижающие или повышающие драйверы.
Рисунок 1. Схема контроллера понижающе-повышающего преобразователя на основе GaN с выходным напряжением 24 В и током 5 А, использующего 4 переключателя EVAL-LT8390A-AZ.
Для преобразования высокой мощности
необходим драйвер затвора на 5 В.
6 В. Даже колебания, вызванные паразитными индуктивностями печатной платы на линиях затвора и истока, превышающие максимальное напряжение затвора, могут привести к катастрофическим отказам. Для безопасного и эффективного управления GaNFET-транзистором необходима тщательная разработка, минимизирующая индуктивности на линиях затвора и истока. Помимо конструктивных соображений, крайне важно обеспечить защиту на уровне компонентов для предотвращения катастрофических перенапряжений затвора.
LT8390A представляет собой драйвер затвора на 5 В, специально разработанный для полевых транзисторов с более низким напряжением затвора, что делает его идеальным выбором для GaNFET-транзисторов. Проблема заключается в том, что драйверы кремниевых полевых транзисторов часто не имеют защиты от случайных перенапряжений. В частности, пусковое напряжение на верхние полевые транзисторы в кремниевых драйверах затвора не регулируется, что означает, что напряжение на верхнем драйвере затвора может легко превышать абсолютное максимальное напряжение GaNFET. На рисунке 2 показано, как решить эту проблему: параллельно пусковому конденсатору устанавливается стабилитрон на 5,1 В (D5 и D6), чтобы ограничить это напряжение до рекомендуемого уровня управления для GaNFET. Это гарантирует, что напряжение на затворе остается в пределах безопасного рабочего диапазона.
Рисунок 2. Упрощенная схема 4-ключевого GaN-контроллера понижающе-повышающего преобразователя с GaN-компонентами защиты управления.
Рисунок 3. Максимальный выходной ток EVAL-LT8390A-AZ в зависимости от входного напряжения. Плата способна выдавать 120 Вт в широком диапазоне входного напряжения на высокой частоте.
Рисунок 4. Эффективность драйвера GaN EVAL-LT8390A-AZ в сравнении с эффективностью драйвера кремниевого MOSFET DC2598A. GaNFET обеспечивают более высокую эффективность при более высоких напряжениях.
Кроме того, для дополнительной защиты последовательно с диодами бутстрепа (D3 и D4) добавлен резистор 10 Ом для уменьшения любых колебаний, которые могут быть вызваны мощным и очень быстродействующим узлом переключения.
Проблемы, связанные с мертвым временем и диодом в корпусе:
В традиционных преобразователях используется захватывающий диод, который проводит ток во время выключения. В синхронных преобразователях захватывающий диод заменяется другим ключом для уменьшения потерь проводимости диода в прямом направлении. Однако проблема возникает, если верхний и нижний ключи включаются одновременно, вызывая срабатывание. В случае срабатывания оба полевых транзистора могут фактически замкнуться на землю, что может привести к выходу компонентов из строя и другим катастрофическим последствиям. Для предотвращения этого драйверы реализуют мертвое время — период, в течение которого ни верхний, ни нижний ключ не включены. Типичные синхронные драйверы DC-DC реализуют мертвое время до 60 нс. Это мертвое время не является существенной проблемой для кремниевых MOSFET, поскольку диод в корпусе проводит ток в течение этого периода.
GaNFET не имеют диодов в корпусе и включаются и выключаются гораздо быстрее, чем кремниевые MOSFET. Вместо того чтобы диоды в корпусе проводили ток во время мертвого времени, GaNFET могут проводить ток при напряжении от 2 В до 4 В, по сравнению с типичными 0,7 В у диода. Это напряжение проводимости, умноженное на ток проводимости, может привести к потерям мощности почти в шесть раз большим во время мертвого времени. Увеличение потерь мощности в сочетании с длительным мертвым временем может привести к перегреву и повреждению полевых транзисторов. Лучшее решение — минимизировать мертвое время. Однако драйверы, предназначенные для кремниевых полевых транзисторов, проектируют мертвое время с учетом того, что кремниевые полевые транзисторы имеют медленные характеристики включения/выключения (в десятках наносекунд). Поэтому мертвое время устанавливается больше, чтобы предотвратить срабатывание.
У LT8390A установлено мертвое время 25 нс, что короче, чем у многих синхронных драйверов на рынке. Хотя этого достаточно для управления высокочастотными мощными MOSFET-транзисторами, этого все еще недостаточно для GaNFET-транзисторов. GaNFET-транзисторы могут включаться чрезвычайно быстро (за наносекунды). Поэтому для уменьшения дополнительных потерь проводимости во время мертвого времени рекомендуется добавить захватывающий диод Шоттки, включенный антипараллельно синхронному GaNFET-транзистору, чтобы перенаправить проводимость по пути с меньшими потерями. На рисунке 2 показаны диоды Шоттки D1 и D2, на которые следует установить диоды. Диод D1 устанавливается на синхронный понижающий транзистор, а диод D2 — на синхронный повышающий транзистор. Для простого понижающего преобразователя достаточно диода D1. Для простого повышающего преобразователя используйте диод D2.
Более высокая мощность на более высокой частоте:
LT8390A имеет частоту переключения до 2 МГц. GaNFET-транзисторы обладают значительно меньшими потерями при переключении по сравнению с кремниевыми MOSFET-транзисторами, что позволяет достичь аналогичных потерь мощности при более высоких частотах переключения и напряжениях. EVAL-LT8390A-AZ демонстрирует преимущества эффективности и компактных размеров, достигаемые за счет установки частоты переключения на 2 МГц.
При выходном напряжении 24 В GaNFET-транзисторы могут выдавать 120 Вт мощности при комнатной температуре. Размер платы сопоставим с предыдущей оценочной платой LT8390A, DC2598A, которая использует кремниевые MOSFET-транзисторы и обеспечивает выходное напряжение 12 В с мощностью 48 Вт.
На рисунке 3 показана максимальная мощность, которую может выдержать GaN-понижающе-повышающий преобразователь с частотой 2 МГц, а на рисунке 4 сравнивается эффективность обеих плат. Даже при более высоких напряжениях и с 2,5-кратной выходной мощностью плата с GaNFET-транзисторами обеспечивает более высокую эффективность, чем плата с кремниевыми MOSFET-транзисторами. Использование GaNFET позволяет работать при более высоких напряжениях и уровнях мощности при аналогичной площади печатной платы.
Таблица 1. Контроллеры DC-DC, совместимые с GaNFET
Заключение:
Даже если нет DC-DC контроллеров, специально разработанных для управления GaNFET, эффективное управление ими все равно возможно. Даже используя контроллер, изначально предназначенный для Si MOSFET, EVAL-LT8390A-AZ легко превосходит свои номинальные показатели мощности и обеспечивает более высокую эффективность при аналогичной площади платы. В таблице 1 представлен широкий выбор рекомендуемых контроллеров для GaNFET. Для еще более высоких требований к мощности, таких как параллельное управление GaNFET с помощью повышающе-понижающего преобразователя, обратитесь к производителю. Изучив контроллер, предлагающий драйвер затвора 5 В и включающий дополнительную внешнюю схему защиты, можно безопасно управлять GaNFET и изучить дополнительные возможности в проектировании преобразователей мощности.
Об авторе:
Кевин Тай — директор по применению продукции компании Analog Devices в Сан-Хосе, Калифорния. Он работает в группе IPS Power Products Group и курирует линейки продуктов для изолированной защиты и обратноходовых преобразователей, а также другие повышающие, понижающе-повышающие преобразователи и контроллеры на основе нитрида галлия (GaN). Он получил степень бакалавра электротехники в Калифорнийском политехническом университете в Сан-Луис-Обиспо в 2017 году и степень магистра электротехники в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе в 2018 году.
