Применение нитрид-галлиевых гетероструктурных транзисторов в выпрямительных устройствах

27 сентября

телекоммуникацииуправление питаниемInfineonстатьяинтегральные микросхемыдискретные полупроводники

Александр Русу (г. Одесса)

Использование HEMT-транзисторов производства Infineon позволит значительно улучшить технические характеристики выпрямительных устройств стандарта USB-PD, поддерживающего оборудование мощностью до 100 Вт.

Резкое увеличение количества радиоэлектронных устройств  стало причиной увеличения числа зарядных устройств, работающих от сети переменного тока. Принятие единых форматов в области питания, в первую очередь – стандартизация USB-разъемов, привело к постепенной интеграции зарядных устройств в энергосистемы домов и офисов и появлению решений, устанавливаемых вместо обычных электрических розеток. Но если выходная мощность первых версий выпрямительных устройств подобного типа не превышала 10 Вт (5 В, 2 А), а их разработка не представляла особой технической сложности, то после введения стандарта USB-PD, поддерживающего оборудование мощностью до 100 Вт, создание компактных преобразователей стало серьезным вызовом для разработчиков.

На сегодняшний день к современному выпрямительному устройству предъявляется целый ряд взаимоисключающих требований, основными из которых являются высокая удельная мощность и малый уровень энергетических потерь. Все это вынуждает разработчиков искать как новые схемотехнические решения выпрямителей, так и элементную базу для их сознания.

До недавнего времени выпрямительные устройства проектировались на основе кремниевых MOSFET и диодов, однако в силу ряда неустранимых недостатков этих приборов наиболее перспективным вариантом их замены являются транзисторы с высокой подвижностью электронов (High Electron Mobility Transistor, HEMT). Работы над освоением технологий производства HEMT активно ведутся многими производителями электронных компонентов, в том числе и компанией Infineon – одним из мировых лидеров в этой отрасли.

Насколько использование HEMT позволит улучшить технические характеристики преобразователей электрической энергии, в частности – выпрямительных устройств, соответствующих стандарту USB-PD? В качестве опорной точки для сравнительного анализа были выбраны известные решения, реализованные на основе выпускаемых уже более десяти лет MOSFET с технологией Super Junction – одной из самых передовых технологий изготовления кремниевых полевых транзисторов с изолированным затвором. Однако поскольку разработка выпрямительных устройств с удельной мощностью более 20 Вт/дюйм3 даже при использовании самых лучших транзисторов является далеко не тривиальной задачей, то в статье также приведены результаты сравнительного анализа различных схем построения этих узлов.

Сравнительный анализ SJ MOSFET и HEMT

Несмотря на то, что на сегодняшний день уже существует несколько поколений кремниевых MOSFET, каждое из которых имеет как более низкое сопротивление канала, так и более высокое быстродействие, чем предыдущее, гетеропереходные приборы превосходят их как по статическим, так и по динамическим параметрам. Во многом это связано со структурой самого прибора. В отличие от MOSFET, в которых направление тока перпендикулярно плоскости кристалла, в HEMT носители заряда перемещаются параллельно подложке в тонком слое так называемого двумерного электронного газа (Two Dimensional Electron Gas, 2DEG), образуемого в результате взаимного проникновения полупроводников с разной шириной запрещенных зон. Таким образом, несмотря на внешнюю схожесть (оба типа транзисторов имеют одинаковое количество выводов с одинаковым функциональным назначением), MOSFET и HEMT имеют совершенно разные механизмы работы, что не может не отразиться на их технических характеристиках.

В первую очередь необходимо обратить внимание, что HEMT имеют намного меньшие значения всех паразитных емкостей между электродами, чем SJ MOSFET. Это, кстати, стало причиной отказа от применения корпусов с технологией монтажа в отверстия, ведь в этом случае дополнительные емкости, вносимые выводами, могут значительно ухудшить параметры этих приборов. Поэтому все HEMT, производимые компанией Infineon, выпускаются в специализированных корпусах для поверхностного монтажа, имеющих необходимую электрическую прочность и рассчитанных на охлаждение со стороны печатных проводников. Кроме этого, паразитные емкости HEMT меньше подвержены влиянию напряжения между истоком и стоком VDS.

Например, в области низких напряжений VDS (до 50 В) выходная емкость Coss у HEMT практически на два порядка меньше, чем у лучших представителей SJ MOSFET (рисунок 1). Однако из-за того, что при увеличении VDS выходная емкость SJ MOSFET значительно уменьшается, количество энергии Eoss, запасаемой в ней, для транзисторов обоих типов соизмеримо (рисунок 2). Это означает, что в однотактных схемах с жестким переключением, в которых энергия Eoss при каждом включении транзисторов выделяется на кристаллах в виде тепла, замена SJ MOSFET на HEMT не даст ощутимого результата в увеличении КПД.

Рис. 1. Зависимости выходной емкости Coss транзисторов различных типов от напряжения между затвором и истоком VDS

Рис. 1. Зависимости выходной емкости Coss транзисторов различных типов от напряжения между затвором и истоком VDS

Рис. 2. Зависимости энергии Eoss, запасаемой в выходной емкости Coss,от напряжения между затвором и истоком VDS

Рис. 2. Зависимости энергии Eoss, запасаемой в выходной емкости Coss, от напряжения между затвором и истоком VDS

Однако в схемах с мягкой коммутацией энергия Eoss перераспределяется между реактивными элементами силовой части преобразователя и не является основным компонентом потерь, поэтому для резонансных схем ключевым параметром является величина заряда Qoss, накапливаемого в емкости Coss. Чем больше заряд Qoss, тем большее время необходимо для его откачки, поэтому для схем с мягкой коммутацией уменьшение Qoss эквивалентно уменьшению длительности цикла преобразования. И здесь HEMT уже не имеют аналогов. Как видно из рисунка 3, из-за малого значения емкости Coss в области низких напряжений заряд Qoss приблизительно на порядок меньше, чем у лучших представителей SJ MOSFET. Это означает, что в схемах с мягкой коммутацией замена SJ MOSFET на HEMT позволит ощутимо увеличить количество рабочих циклов в единицу времени, а значит – повысить удельную мощность преобразователя за счет использования более миниатюрных реактивных элементов.

Рис. 3. Зависимости заряда Qoss выходной емкости Coss транзисторов различных типов от напряжения между затвором и истоком VDS

Рис. 3. Зависимости заряда Qoss выходной емкости Coss транзисторов различных типов от напряжения между затвором и истоком VDS

Однако наибольший выигрыш от замены SJ MOSFET на HEMT будет в полумостовых и мостовых схемах. Транзисторы HEMT не имеют паразитного диода между стоком и истоком, поэтому для его восстановления теперь не нужно тратить дополнительную энергию. Это означает, что общие потери при включении в данных схемах, являющие суммой потерь из-за рассеивания энергии Eoss и восстановления диода транзистора оппозитного плеча, будут значительно меньше.

Таким образом, первые представители HEMT уже имеют на порядок лучшие характеристики, чем флагманские модели последних поколений MOSFET. Это позволяет позиционировать приборы данного типа в качестве основы для построения преобразователей нового поколения, обладающих повышенными значениями как КПД, так и удельной мощности. А если добавить к этому отсутствие паразитного диода между стоком истоком, наличие которого в MOSFET не позволяло данным приборам блокировать протекание тока в обратном направлении, то станет очевидно, что на основе HEMT можно создавать преобразователи, реализация которых на существующей элементной базе крайне затруднена. 

Исследование энергетических характеристик выпрямительных устройств

Использование даже самой современной элементной базы не является гарантией создания преобразователя с нужными техническими характеристиками, поскольку все преимущества даже лучших полупроводниковых приборов могут быть сведены к нулю неудачным выбором структурной схемы силовой части или режимов ее работы. Поскольку на сегодняшний день существует множество вариантов реализации маломощных зарядных устройств, каждый из которых имеет свои достоинства и недостатки, то для выявления наиболее оптимальных решений в свое время потребовалось провести комплексное исследование КПД различных схем во всевозможных режимах работы. В исследовании принимали участие пять наиболее популярных преобразователей:

  • схема с обратноходовым корректором коэффициента мощности и активным подавлением пульсаций на вторичной стороне (PFC flyback with secondary side power pulsation buffer);
  • обратноходовая схема с высоким фиксированным выходным напряжением, уменьшаемым до требуемого уровня с помощью понижающего преобразователя (flyback converter with a fixed (high) output voltage and subsequent buck converter);
  • обратноходовая схема с широким диапазоном входного напряжения (flyback converter with wide output voltage range);
  • асимметричная обратноходовая схема на основе двух полумостовых каскадов (cascaded asymmetrical PWM flyback converter where the primary side consists of two cascaded half-bridges);
  • асимметричная обратноходовая схема (asymmetrical PWM flyback converter).

Зависимости КПД преобразователей, работающих при наихудших условиях (наименьшем входном напряжении и максимальном токе нагрузки), от величины их удельной мощности приведены на рисунке 4. Красная пунктирная линия показывает минимально возможный КПД, при котором температура корпуса Tbox при естественном охлаждении не будет превышать 70°C. Как видно из графиков, чем выше требуемая удельная мощность – тем больше должен быть КПД, поскольку при малых габаритах рассеять большое количество тепла, используя лишь природные конвективные потоки и излучение, технически невозможно.

Рис. 4. Зависимости КПД преобразователей мощностью 65 Вт от уровня удельной мощности при максимальном выходном (20 В) и минимальном входном (90 В) напряжениях

Рис. 4. Зависимости КПД преобразователей мощностью 65 Вт от уровня удельной мощности при максимальном выходном (20 В) и минимальном входном (90 В) напряжениях

Согласно проведенным исследованиям, при естественном охлаждении требуемый уровень удельной мощности 20 Вт/дюйм3 могут обеспечить лишь преобразователи с минимальным количеством полупроводниковых компонентов, работающих в режимах с мягким переключением. Одним из таких решений является асимметричная обратноходовая схема, которая и будет подробно рассмотрена в следующих частях статьи. 

Принцип работы асимметричного обратноходового преобразователя

Упрощенная принципиальная схема асимметричного обратноходового преобразователя показана на рисунке 5. Накопительный дроссель на первичной стороне коммутируется двумя транзисторами, включенными по полумостовой схеме. На вторичной стороне дроссель подключается к выходному фильтру с помощью диода, зашунтированного полевым транзистором (схема синхронного выпрямления). Благодаря наличию резонансного конденсатора, включенного последовательно с первичной обмоткой дросселя, силовая часть работает в режиме мягкой коммутации, при котором силовые транзисторы полумоста переключаются при нуле напряжения между стоком и истоком, а транзистор синхронного выпрямителя – при нулевом токе. Кроме уменьшения динамических потерь, такой режим работы позволяет также полностью утилизировать энергию, накапливаемую в индуктивности рассеяния первичной обмотки, которая в обратноходовых схемах с жестким переключением обычно рассеивается в виде тепла.

Рис. 5. Схема асимметричного обратноходового преобразователя

Рис. 5. Схема асимметричного обратноходового преобразователя

Цикл преобразования состоит из четырех этапов (рисунок 6). На первом этапе транзистор верхнего плеча включен, а нижнего – выключен. Это приводит к увеличению тока первичной обмотки дросселя и заряду резонансного конденсатора. Полярность напряжения на вторичной обмотке при этом такова, что к диоду приложено обратное напряжение, поэтому ток через вторичную обмотку не протекает, а нагрузки питаются от выходного конденсатора. На этом этапе происходит накопление энергии в реактивных элементах: дросселе и резонансном конденсаторе.

Рис. 6. Диаграммы работы асимметричного обратноходового преобразователя

Рис. 6. Диаграммы работы асимметричного обратноходового преобразователя

После выключения транзистора верхнего плеча начинается второй этап преобразования. Поскольку все транзисторы находятся в непроводящем состоянии, ток первичной обмотки дросселя замыкается через резонансный конденсатор и паразитные емкости «сток-исток» транзисторов на первичной стороне. Это приводит к быстрому уменьшению напряжения в средней точке полумоста до тех пор, пока оно не станет отрицательным. После этого открывается диод нижнего плеча и начинается третий этап преобразования.

На третьем этапе преобразования диод нижнего плеча шунтируется транзистором, имеющим меньшее сопротивление открытого канала, что приводит к уменьшению статических потерь. Потери при включении транзистора при этом тоже минимальны, поскольку к моменту подачи на его затвор сигнала управления напряжение между стоком и истоком практически равнялось нулю. К первичной обмотке дросселя теперь приложено напряжение заряженного резонансного конденсатора, полярность которого обратна полярности напряжения на первом этапе. Смена полярности напряжения на обмотках дросселя приводит к открытию диода на вторичной стороне и передаче энергии, накопленной в дросселе и резонансном конденсаторе, в нагрузку. Ток первичной обмотки при этом имеет синусоидальную форму с частотой, определяемой емкостью резонансного конденсатора и величиной индуктивности рассеяния первичной обмотки. Для уменьшения уровня статических потерь диод на вторичной стороне на данном этапе также шунтируется открытым каналом полевого транзистора.

На четвертом этапе преобразования все транзисторы снова переходят в непроводящее состояние, что приводит к увеличению напряжения в средней точке полумоста за счет протекания через первичную обмотку дросселя тока, направление которого к концу третьего этапа стало противоположным. После того как напряжение на средней точке полумоста станет больше напряжения питания, откроется диод верхнего плеча и начнется новый цикл преобразования. Обратите внимание, что транзистор верхнего плеча при этом также будет открыт практически при нулевом напряжении между стоком и истоком, что обеспечит минимум потерь при включении.

В отличие от обычного обратноходового преобразователя, содержащего единственный накопитель энергии – дроссель, в асимметричном преобразователе энергия, передаваемая в нагрузку, накапливается в двух реактивных элементах: дросселе и резонансном конденсаторе. Это означает, что в данной схеме можно использовать дроссель с меньшей энергетической емкостью и, соответственно, меньшими габаритами. Количество энергии, передаваемое в нагрузки дросселем и конденсатором, зависит от величины входного напряжения (рисунок 7). Из графиков видно, что роль резонансного конденсатора в качестве энергетического хранилища увеличивается по мере уменьшения входного напряжения. При максимальных входных напряжениях резонансный конденсатор обеспечивает нагрузке приблизительно 20% энергии. Это означает, что накопительный дроссель может быть на 20% меньше, что может стать серьезным аргументом для выбора этой схемы, учитывая жесткие требования к величине удельной мощности.

Рис. 7. Зависимость количества энергии, отдаваемой в нагрузки дросселем и резонансным конденсатором, от величины входного напряжения

Рис. 7. Зависимость количества энергии, отдаваемой в нагрузки дросселем и резонансным конденсатором, от величины входного напряжения

Результаты тестирования прототипа выпрямительного устройства, построенного по схеме асимметричного обратноходового преобразователя (рисунок 8), приведены на рисунке 9. Разработанный модуль соответствует стандарту USB-PD и поддерживает нагрузки мощностью от 15 Вт (5 В, 3 А) до 65 Вт (20 В, 3, 25 А). Уровень выходного напряжения и максимальное значение выходного тока определяются нагрузкой, с которой модуль обменивается информацией, используя для этого информационные шины USB-разъема. Частота переключений транзисторов силовой части зависит от величины входного напряжения и находится в диапазоне 100…220 кГц.

Рис. 8. 65-ваттный прототип выпрямительного устройства, соответствующего стандарту USB-PD, с удельной мощностью 27 Вт/дюйм3 (после установки в корпус – 20 Вт/дюйм3)

Рис. 8. 65-ваттный прототип выпрямительного устройства, соответствующего стандарту USB-PD, с удельной мощностью 27 Вт/дюйм3 (после установки в корпус – 20 Вт/дюйм3)

Как видно из графиков, при использовании в качестве силовых ключей 500-вольтовых SJ MOSFET с сопротивлениями каналов 140 мОм минимальный и максимальный КПД модуля равны, соответственно, 93% и 94,8%. Это находится на пределе минимально допустимого КПД для данного уровня удельной мощности и естественного охлаждения (рисунок 4) и означает, что температура данного модуля будет достаточно высокой.

Очевидно, что традиционная элементная база уже не позволяет достичь более высоких значений КПД и, соответственно, более высоких значений удельной мощности. Однако замена кремниевых MOSFET на нитрид-галлиевые HEMT позволила дополнительно увеличить КПД данной схемы приблизительно на 0,4% во всем диапазоне рабочих напряжений (рисунок 9). Такое повышение эффективности стало возможным, в первую очередь благодаря меньшему значению заряда выходной емкости Qoss, что позволило обеспечить мягкую коммутацию транзисторов при меньшем токе первичной обмотки дросселя, а это, в свою очередь, позволило уменьшить статические потери во всех силовых элементах. Кроме этого, HEMT имеют меньший заряд затвора по сравнению с MOSFET, а значит и меньшие потери в цепях управления транзисторами. И, конечно, следует еще раз напомнить, что из-за меньшего значения выходной емкости Coss потери при включении HEMT даже при мягкой коммутации меньше, чем у лучших представителей MOSFET.

Рис. 9. КПД прототипов выпрямительных устройств мощностью 65 Вт на кремниевых MOSFET (500 В, 140 мОм, красная кривая) и нитрид-галлиевых HEMT (600 В, 190 мОм, синяя кривая)

Рис. 9. КПД прототипов выпрямительных устройств мощностью 65 Вт на кремниевых MOSFET (500 В, 140 мОм, красная кривая) и нитрид-галлиевых HEMT (600 В, 190 мОм, синяя кривая)

Заключение

В ближайшем будущем нитрид-галлиевые HEMT должны в буквальном смысле ворваться в силовую преобразовательную технику, поскольку существующая элементная база уже не позволяет создавать на ее основе приложения, требующие высокого значения удельной мощности. Очевидно, что уровень 20 Вт/дюйм3 не является пределом для выпрямительных устройств, ведь как показывает практика, уровни вычислительной мощности современных электронных устройств продолжают расти. А это означает, что рано или поздно существующие стандарты в области питания уже не смогут удовлетворить потребности новых пользователей, то есть, будут нужны новые решения с новыми уровнями удельной мощности, для которых использование HEMT будет единственно возможным вариантом их реализации.

•••

Наши информационные каналы

О компании Infineon

Компания Infineon является мировым лидером по производству силовых полупроводниковых компонентов, а также занимает ведущие позиции по производству автомобильной полупроводниковой электроники и смарт-карт.  В 2015 году компания Infineon приобрела компанию International Rectifier, тем самым значительно усилив свои лидирующие позиции в области силовой электроники. Это сочетание открывает новые возможности для клиентов, так как обе компании превосходно дополняют друг друга благодаря высокому уровню ...читать далее

Товары
Наименование
1EDI20N12AFXUMA1 (INFIN)
1EDF5673FXUMA1 (INFIN)
1EDS5663HXUMA1 (INFIN)
1EDF5673KXUMA1 (INFIN)
IGO60R070D1AUMA1 (INFIN)
IGOT60R070D1AUMA1 (INFIN)
IGT60R070D1ATMA1 (INFIN)
IGT60R190D1SATMA1 (INFIN)
IGT40R070D1E8220ATMA1 (INFIN)
IGLD60R070D1AUMA1 (INFIN)
IGLD60R190D1AUMA1 (INFIN)
IGLD60R190D1AUMA2 (INFIN)