Bygg strömkällor med hög energitäthet med integrerade eGaN-strömsteg

Switchlägesströmkällor med hög energitäthet (SMPS:er) ka påskynda batteriladdning, minska storleken på solmikroomriktare och uppfylla strömkraven för serverhallar utan att generera stora mängder värme. Teknikerna håller dock på att nå prestandagränserna för de kisel-MOSFET-transistorer och IGBT:er som utgör de huvudsakliga switchningselementen i konventionella SMPS:er. Istället kan transistorer som tillverkats av enhancement-mode-galliumnitrid (eGaN) – en halvledare med brett bandgap – nu användas för att övervinna begränsningarna i switchningshastighet och verkningsgrad som kiselenheter har.

Tidigare innebar kostnaden och tillgängligheten till eGaN-transistorer att de inte var aktuella i annat än de mest marginella strömförsörjningstillämpningar, men bredare marknadsanpassning har löst dessa utmaningar. eGaN-transistorer är nu ett alternativ i ett mycket bredare urval av tillämpningar.

Den här artikeln beskriver fördelarna med högfrekventa strömkällor baserade på eGaN-switchningskomponenter jämfört med modeller baserade på konventionella MOSFET- eller IGBT-enheter av kisel (Si). Den presenterar därefter riktlinjer för hur du kan bygga SMPS-konstruktioner som passar tillämpningar som batteriladdning eller serverhallar med eGaN-strömsteg från EPC, Texas Instruments och Navitas Semiconductor.

Högfrekvensfördelar

Konventionella SMPS-enheter använder typiskt switchningsfrekvenser från tiotal till hundratals kilohertz (kHz). Driftcykeln för pulsbreddsmoduleringen (PWM) av basfrekvensen avgör strömkällans utgångsspänning.

Den största fördelen med en högre switchningsfrekvens är en minskning i storlek hos kringutrustning som induktorer, transformatorer och motstånd. Det gör det möjligt för konstruktörerna att skapa mindre utrymmeskrävande utformningar med samma uteffekt, vilket ökar energitätheten. Dessutom minskas ström- och spänningsrippel vid SMPS-utgången vilket sänker risken för elektromagnetiska störningar (EMI) såväl som kostnaden och storleken hos filterkretsarna.

Dock switchar konventionella power-MOSFET-transistorer och IGBT-enheter av kisel relativt långsamt och sprider betydande kraft varje gång enheterna slås på och av. Dess förluster mångfaldigas när frekvensen stiger, vilket minskar verkningsgraden och höjer chiptemperaturerna. Kombinationen av långsam switchning och höga switchningsförluster sätter ett tak för den praktiska switchningsfrekvensen i dagens SMPS:er.

Konstruktörerna kan passera det här taket genom att välja halvledare med brett bandgap. Bland dessa är GaN för tillfället den mest beprövade och tillgängliga tekniken för den här tillämpningen med eGaN som en mer förfinad version av GaN.

Jämförelse mellan kisel och GaN

GaN har flera fördelar jämfört med kisel, varav flera är relaterade till materialets högre elektronrörlighet. Ökad elektronrörlighet ger halvledaren högre överslagsspänning (över 600 volt) och överlägsen strömtäthet (ampere/centimeter² (A/cm²)). En annan fördel med GaN är att transistorer av detta material inte uppvisar omvänd återhämtningsladdning, ett fenomen som kan leda till hög switchströmöversläng (ringning).

Trots att dessa egenskaper är viktiga för strömkällans konstruktör kan det vara mer kritiskt att hög elektronrörlighet tillåter en GaN-transistor att switcha på cirka en fjärdedel av den tid det tar för en kisel-MOSFET. Varje gång GaN-enheten switchar är förlusterna runt 10 till 30 procent av förlusterna hos en kiseltransistor vid en given switchningsfrekvens och ström. De innebär att GaN-transistorer med hög elektronrörlighet (HEMT:er) kan drivas med mycket högre frekvenser än kisel-MOSFET-enheter, IGBT:er eller enheter av kiselkarbid (SiC) (figur 1).

Figur 1: GaN HEMT:er möjliggör switchströmkällor med högre frekvens än kisel- eller SiC-enheter. (Bildkälla: Infineon)

GaN HEMT:er har haft en långsam popularitetsutveckling av två huvudanledningar. För det första är enheterna huvudsakligen fälteffekttransistorer (FET:er) av utarmningstyp, så standardläget är "på". Kisel-MOSFET-enheter däremot är enhancement mode-enheter med standardläge "av". Det innebär at GaN HEMT:er kräver tillägg av noggrant inställda bias-nätverk för korrekt funktion. För det andra tillverkas transistorerna med en annan process än de utvecklade högvolymtekniker som används för kisel, vilket gör dem dyrare. Den avancerade konstruktionen och högre kostnaden har begränsat GaN HEMT-tillämpningarna till högkvalitativa SMPS:er.

Men relativt nyligen har eGaN HEMT:erna kommersialiserats och eliminerar behovet av bias-nätverk. Dessutom har kretsleverantörerna introducerat integrerade ström-IC-drivkretsar som baseras på eGaN HEMT:er som förenklar konstruktionen. Ökade produktionsnivåer har också gjort eGaN-enheterna billigare.

Integrerade GaN-lösningar

I högkvalitativa SMPS-utformningar där eGaN HEMT:er tidigare användes innebar det höga priset att konstruktörerna tvingades begränsa enheternas användning av krafttransistorer och återgå till kisel-MOSFET:er för gatedrivarna. Medan vissa prestandavinster uppnåddes jämfört med konstruktioner med bara kisel begränsade kiselelementen i den kombinerade designen den maximala switchningsfrekvensen. Och eftersom GaN och kisel använder olika processteknik måste gatedrivaren och krafttransistorerna tillverkas som separata komponenter, vilket ökade kostanden och PC-kortets storlek.

Lägre eGaN-priser har gjort det möjligt för chiptillverkarna att åtgärda båda problemen. Texas Instruments, till exempel, erbjuder sitt LMG3411R070 70 milliohm (mΩ), 600 volt eGaN-effektsteg med integrerad gatedrivare (figur 2).

Figur 2: LMG3411R070 från Texas Instruments kombinerar ett 70 mΩ, 600 volt eGaN-effektsteg med dess drivare. (Bildkälla: Texas Instruments)

Chippet kan switcha 100 volt/nanosekund (ns) med nästan ingen ringning (figur 3). Detta kan jämföras med typiska ändringshastigheter på 3 till 10 volt/ns för konventionella power-MOSFET-enheter av kisel.

Figur 3: Som demonstrerats av TI:s LMG3411R070 integrerade eGaN-effektsteg kan eGaN-krafttransistorer hantera betydligt högre förändringshastigheter än MOSFET-transistorer med minimal ringning. (Bildkälla: Texas Instruments)

Navitas Semiconductor tillverkar en produkt av liknande klass: NV6113. Produkten integrerar en 300 mΩ, 650 volt eGaN HEMT, en gatedrivare och förknippad logik i ett QFN-paket på 5 x 6 millimeter (mm). NV6113 kan stå emot en förändringshastighet på 200 volt/ns och arbetar på frekvenser upp till 2 megahertz (MHz).

Medan enheter som TI och Navitas GaN-effektsteg kan användas parallellt i den populära halvbryggatopologin (figur 4) finns det andra produkter som innehåller två krafttransistorer (och förknippade gatedrivare) på samma chip.

Figur 4: Navitas NV6113 kan distribueras parallellt för halvbryggatopologier som visas här. (Bildkälla: Navitas Semiconductor)

EPC, till exempel, introducerade nyligen sin EPC2115, en integrerad drivar-IC med två monolitiska 88 mΩ, 150 volt eGaN-krafttransistorer, vardera med en optimerad gatedrivare (figur 5). EPC2115 levereras i ett BGA-paket på 2,9 x 1,1 mm med låg induktans och kan köras upp till 7 MHz.

Figur 5: EPC:s eGaN integrerade drivar-IC har två krafttransistorer, var och en med en egen optimerad gatedrivare. (Bildkälla: EPC)

Att utforma strömförsörjning med eGaN HEMT:er följer normalt samma principer som en design med kisel-MOSFET-transistorer, men den högre driftfrekvensen påverkar val av kringutrutsningskomponenter.

Val av perifera komponenter

För att illustrera frekvensens inverkan på komponentval, tänk på ingångskondensatorn i en enkel DC-till-DC SMPS nedtransformerande ("buck") topologi.

Ingångskondensatorer minskar ingångsrippelspänningens amplitud och minskar i sin tur rippelströmmen till en nivå som kan hanteras med relativt billiga bulkkondensatorer utan alltför hög effektförlust. Att minska spänningsrippelns amplitud topp till topp till under 75 millivolt (mV) är en bra tumregelför att hålla strömmen i bulkkondensatorerna inom godtagbara gränser. Ingångskondensatorn är normalt en keramisk enhet eftersom de har den extremt låga ESR-resistans (equivalent series resistance) som krävs för att effektivt minska spänningsrippel.

För att avgöra dimension på de keramiska ingångskondensatorer som krävs för att minska spänningsrippelns amplitud topp till topp till ett givet värde kan ekvation 1 användas:

Där:

• C_MIN är den minimala nödvändiga keramiska ingångskapacitansen i mikrofarad (μF)
• f_SW är switchningsfrekvensen i kHz
• V_P(max) is the är den maximala tillåtna rippelspänningen topp till topp
• I_UT är sen stationära utgångslastströmmen
• dc är arbetscykeln (enligt ovan)
• (Från referens 1)

Utförande av beräkningen med några typiska driftvärden för ett högkvalitativt kiselbaserat kraftsteg ger:

• V_IN = 12 volt
• V_UT = 3,3 volt
• I_UT = 10 A
• η = 93 procent
• f_SW = 300 kHz
• dc = 0,296
• V_P(max) = 75 mV

Beräknad C_MIN = 92 µF

Om vi gör om beräkningen för ett eGaN-kraftsteg som Navitas-enheten på 2 MHz, med något förbättrad verkningsgrad och i övrigt liknande driftförhållanden ger:

• V_IN = 12 volt
• V_UT = 3,3 volt
• I_UT = 10 A
• η = 95 procent
• f_SW = 2000 kHz
• dc = 0,289
• V_P(max) = 75 mV

Beräknad C_MIN = 13 µF

Minskningen i C_MIN gör att en mindre komponent kan användas.

Snabb switchning av eGaN HEMT:er är fördelaktigt i allmänhet, men det introducerar också några unika designutmaningar. Den största av dessa handlar om den mycket höga förändringstakten.

Kontrollera ändringshastigheten

Hög ändringshastigheten (dV/dt) kan medföra problem som:

• Ökad switchningsförlust
• Strålade och ledningsbundna elektromagnetiska störningar
• Störningar på andra platser i kretsen kopplat från switchnoden
• Spänningsöversläng och ringning i switchnoden på grund av induktans i strömslingan och annan parasitär kapacitans

Dessa problem är mest framträdandevid start eller krävande switchningsförhållanden.

När Navitas-produkten används är en enkel lösning att styra ändringshastigheten vid påslagning genom att lägga till ett motstånd mellan C_VDD-kondensatorn och V_DD-stiftet (se figur 4 igen). Det här motståndet (R_DD) ställer in påslagningsströmmen hos den integrerade gatedrivaren och avgör ändringshastigheten vid påslagning (fallande) för urladdningen av ström-FET (figur 6).

Figur 6: R_DD-motståndet ställer in påslagningsströmmen för NV6113 och avgör ändringshastigheten vid påslagning (fallande) för urladdningen av ström-FET. (Bildkälla: Navitas Semiconductor)

LMG3411 har också stöd för justering av ändringshastigheten genom att ansluta ett motstånd (R_DRV) till krafttransistorkällan (se figur 2 igen). Valet av motstånd avgör ändringshastigheten för urladdningsspänningen till ett värde mellan cirka 25 och 100 volt/ns.

Valet av ändringshastighet är i slutänden en kompromiss. Högre hastighet minskar kraftförlusten eftersom tiden när switchen samtidigt (ineffektivt) leder hög ström förkortas, men andra prestandaegenskaper försämras. En tumregel är att sikta på den högsta hastighet som håller EMI, översläng och ringning precis inom specifikationerna.

En övrig konstruktionsutmaning är risken för överströmhändelser koppade till högfrekvensdrift.

Vikten av överströmskydd

Den största fördelen med att utforma en SMPS med högre switchningsfrekvenser är att minska storleken hos passiva komponenter och att därigenom öka effekttätheten. En nackdel är att den här ökade effekttätheten ökar risken för skador vid överströmhändelser. Överströmhändelser är en ständig risk för SMPS:er. Överströmspikar kan blanda annat orsaka felaktig aktivering på grund av extern parasitisk induktans från käll-PC-kortets spår.

Snabbt överströmskydd (OCP) är viktigt för SMPS:er med traditionella MOSFET:er, men det är ännu viktigare för eGaN HEMT:er på grund av följande:

• Vid samma blockspänning och resistans på-läge har eGaN HEMT betydligt mindre yta, vilket gör det svårare att sprida värmen som byggs upp under en överströmhändelse
• Överström måste kännas av medan eGaN HEMT arbetar i det linjära området, annars når enheten snabbt mättnad vilket orsakar för hög effektförlust och skador

Ett vanligt sätt att hantera OCP är att använda en strömtransformator, shuntmotstånd eller avkänningskretsar för avmättnad (tabell). Tyvärr kan dessa påverka systemets prestanda negativt genom att öka parasitiska induktanser och resistanser i strömslingan, vilket i sin tur kräver att ändringshastigheten minskas och därigenom att effektförlusten ökar. Dessutom bidrar enskilda enheter som strömtransformatorer eller shuntmotstånd till ökade kostnader och högre utrymmeskrav på kortet.

Ett alternativ till OCP är att läsa av spänningen drain till source (V_DS) förGaN FET med ett strömavkännande element, en nivåskiftare för att rapportera signalen till styrenheten och en avkänningskrets. Den här metoden har fördelen att inte genererar de parasitiska induktanser och resistanser som försämrar kretsprestandan, men saknar precision framförallt på grund av den höga temperaturkoefficienten hos GaN.

Ett tredje alternativ är att välja ett integrerat eGaN-effektsteg med integrerad OCP-funktion. Detta eliminerar nackdelarna med de två metoderna som beskrivs ovan. TI:s LMG3411 är e exempel på en produkt med den här funktionen. LMG3411:s skyddskrets kan stänga av eGaN HEMTS på kortare än 100 ns om en överström känns av. När PWM-insignalen återgår till ett lågt värde nästa cykel raderas den utgående felsignalen. Det innebär att eGaN HEMT kan slås på normalt nästa cykel, vilket minimerar störningar i utsignalen.

Tabell: Sammanfattning av OCP-alternativ för GaN HEMT-strömsteg. Att välja ett strömsteg med integrerat OCP är den enklaste lösningen för en konstruktör som är ny på tekniken. (Bildkälla: Texas Instruments)

Slutsatser

Den ökande efterfrågan på SMPS:er med hög energitäthet för tillämpningar som solelsomvandlare och serverhallar, i kombination med minskande kostnad per enhet har gjort eGaN HEMT:er till ett attraktivt alternativ för ett större urval av strömkällekonstruktioner. Att göra konstruktioner med eGaN HEMT:er kan vara svårt, men införandet av eGaN HEMT-strömsteg som integrerar gatedrivare med strömtransistorer har gjort det mycket enklare för SMPS-konstruktörer att integrera tekniken i sin nästa konstruktion med hög effekttäthet.

Referens

1. "Input and Output Capacitor Selection" (val av in- och utgående kondensatorer), Jason Arrigo, Texas Instruments, tillämpningsrapport SLTA055, februari 2006.