Каждой топологии – своя технология. Часть 2

17 августа

телекоммуникацииуправление питаниемответственные примененияInfineonстатьяинтегральные микросхемыMOSFETAC-DCККМSiC MOSFET

Вячеслав Гавриков (г. Смоленск)

Источники питания на базе традиционных кремниевых силовых транзисторов не всегда способны отвечать современным требованиям по эффективности. Новые карбид-кремниевые (SiC) и нитрид-галлиевые (GaN) транзисторы позволяют преодолевать ограничения, свойственные Si-ключам. В статье рассмотрены особенности силовых ключей CoolSiC, CoolGaN, CoolMOS производства компании Infineon на примере построения DC/DC-ступеней однофазных источников питания с высоким КПД.

Не только разработчикам, но и обычным потребителям хорошо знакомы названия «Energy Star» и «80 Plus». Energy Star – международный стандарт, определяющий требования к энергоэффективности электрических устройств, разработанный в США, но затем принятый практически по всему миру. Стандарт призван воздействовать на производителей электроники с целью повышения эффективности их продуктов. В частности, начиная с 2007 года Energy Star утвердил требования сертификации 80 Plus к компьютерным источникам питания.

Разработка программы 80 Plus, начатая еще в 2003 году, была направлена на повышение энергоэффективности компьютерных источников питания. Несмотря на добровольную форму сертификации, 80 Plus, по сути, стал отраслевым стандартом [1]. Протокол сертификации доступен на сайте организации [2], в нем рассказывается о требованиях и методах проведения испытаний. Согласно последней спецификации стандарта, источники питания могут соответствовать различным уровням эффективности 80 Plus: Bronze/Silver/Gold/Platinum/Titanium (таблица 1).

Таблица 1. Требования 80 Plus к компьютерным источникам питания

80 PLUS 230V Eu без резервирования
Нагрузка, % 0,1 0,2 0,5 1
80 PLUS 0,82 85%/PFC .90 0,82
80 PLUS Bronze 0,85 88%/PFC 90 0,85
80 PLUS Silver 0,87 90%/PFC 90 0,87
80 PLUS Gold 0,9 92%/PFC 90 0,89
80 PLUS Platinum 0,92 94%/PFC 90 0,9
80 PLUS Titanium 0,9 94%/PFC 95 0,96 0,94

Уровень 80 Plus Titanium особенно актуален для мощных потребителей, в частности для источников питания дата-центров и телекоммуникационных приложений. Обеспечение требований 80 Plus Titanium является достаточно сложной задачей. Если требования самого низкого уровня 80 Plus можно выполнить с привлечением традиционных топологий, разработанных для обычных кремниевых ключей, то для реализации 80 Plus Titanium потребуются современные резонансные топологии и наиболее совершенные силовые транзисторы.

К сожалению, несмотря на целый ряд преимуществ традиционных кремниевых силовых ключей, они не всегда способны обеспечить потребности современных приложений. По этой причине особый интерес представляет переход на карбид-кремниевые (SiC) и нитрид-галлиевые (GaN) транзисторы. Одним из лидеров в области производства силовых ключей остается компания Infineon, которая выпускает сразу три семейства мощных транзисторов: CoolSiC, CoolGaN, CoolMOS.

В статье «Каждой топологии – своя технология. Часть 1» подробно рассматривались особенности семейств CoolSiC, CoolGaN, CoolMOS и эффективность их использования в ККМ [3]. Во второй части статьи проводится сравнение эффективности использования этих же семейств в составе DC/DC-ступеней однофазных источников питания с высоким КПД.

Топологии DC/DC-преобразователей с высоким КПД

Для обеспечения высокого КПД, соответствующего требованиям 80 Plus Titanium, не всегда подходят традиционные топологии DC/DC-преобразователей. Вместо этого необходимо использовать более прогрессивные топологии, например, резонансные преобразователи.

Для создания преобразователей мощностью 1 или 3 кВт и КПД 96,5…97% будет достаточно полумостовой LLC-топологии (HB LLC) схема которой представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Полумостовой LLC-преобразователь

Рис. 1. Полумостовой LLC-преобразователь

Обеспечить мощность 3 кВт и КПД на уровне 96,5…97,5% можно с помощью двухфазного полумостового или мостового LLC-преобразователя (рисунок 2).

Рис. 2. Двухфазный полумостовой LLC-преобразователь (а) и мостовой LLC-преобразователь (б)

Рис. 2. Двухфазный полумостовой LLC-преобразователь (а) и мостовой LLC-преобразователь (б)

В более ответственных и мощных приложениях потребуются еще более сложные решения. В частности, для обеспечения мощности от 3 кВт и выше и КПД 97,5…98% следует использовать трехфазный полумостовой или двухфазный мостовой LLC-преобразователь (рисунок 3).

Рис. 3. Трехфазный полумостовой LLC-преобразователь (а) и двухфазный мостовой LLC-преобразователь (б)

Рис. 3. Трехфазный полумостовой LLC-преобразователь (а) и двухфазный мостовой LLC-преобразователь (б)

Именно эти топологии и будут использоваться для сравнения возможностей силовых транзисторов CoolSiC, CoolGaN и CoolMOS. Однако прежде чем переходить к практическим испытаниям, необходимо рассмотреть важнейшие характеристики, преимущества и недостатки каждого типа ключей.

Важнейшие для резонансных топологий характеристики высоковольтных транзисторов

При выборе силовых ключей для резонансных топологий следует уделить максимум внимания таким параметрам как:

  • RdS(on) – сопротивление открытого канала МОП-транзистора;
  • Qoss – выходной заряд;
  • Qrr – заряд обратного восстановления;
  • Qg – заряд затвора;
  • Eoff – энергия выключения.

Чем ниже будет значение любого из этих параметров, тем ниже будет и уровень потерь.

Сопротивление открытого канала RdS(on) определяет кондуктивные (статические) потери силового транзистора. Чем выше ток нагрузки, тем выше будет уровень потерь. Очевидно, что вклад RdS(on) в общий уровень потерь становится особенно заметным при работе со средней и большой нагрузками. Для примера на рисунке 4 представлена диаграмма потерь в полумостовом резонансном преобразователе (HB LLC) мощностью 1 кВт, работающем с частотой коммутаций 100 кГц и нагрузкой 50%. Как видно из этой диаграммы, на долю МОП-транзистора приходится 31,36% потерь. Причем большую часть потерь на транзисторе составляют именно кондуктивные потери (82,35%), определяемые напрямую RdS(on).

Рис. 4. Потери в полумостовом резонансном преобразователе (HB LLC) мощностью 1 кВт, работающем с частотой коммутаций 100 кГц (а) и вклад кондуктивных потерь в общие потери на МОП-транзисторе (б)

Рис. 4. Потери в полумостовом резонансном преобразователе (HB LLC) мощностью 1 кВт, работающем с частотой коммутаций 100 кГц (а) и вклад кондуктивных потерь в общие потери на МОП-транзисторе (б)

Выходной заряд Qoss играет большое значение при увеличении частоты коммутации в топологиях с мягкими переключениями.

Заряд обратного восстановления Qrr определяет потери при жестких переключениях. Это связано с восстановлением обратных диодов. Чем быстрее восстанавливается диод, тем меньше будет импульс тока и тем меньше будут потери. При мягких переключениях (ZVC) этот параметр играет не такое большое значение (как показано на рисунке 4, всего 1,28%), так как восстановление диода происходит при минимальном приложенном напряжении.

Заряд затвора Qg в первую очередь определяет потери на управление. При работе со средней и большой нагрузкой эти потери оказываются незначительными в сравнении с другими видами потерь (как показано на рисунке 4, всего 7,51%). Однако при малой нагрузке и большой частоте коммутаций вклад Qg существенно возрастает.

Вклад энергии выключения Eoff имеет большое значение при работе со средней и большой нагрузками.

Сравнение семейств транзисторов по важнейшим характеристикам

Прежде чем сравнивать семейства транзисторов, необходимо определить условия этого сравнения. Далее будут сравниваться силовые транзисторы с близкими значениями RdS(on) и равным рейтингом напряжения. 

Сравнение Qoss

Величина Qoss для транзисторов семейств CoolGaN и CoolSiC оказывается в 6…7 раз меньше, чем у традиционных кремниевых транзисторов CoolMOS (рисунок 5). Самым малым значением этого параметра обладают нитрид-галлиевые транзисторы CoolGaNTM, что является одним из факторов их высокой эффективности при работе на высоких частотах.

Рис. 5. Сравнение Qoss для транзисторов различных семейств

Рис. 5. Сравнение Qoss для транзисторов различных семейств

На рисунке 6 показано влияние Qoss на энергию переключения. Кремниевый транзистор IPL65R070C7 и GaN-транзистор IGOT60R070D1 имеют равные сопротивления каналов (70 мОм), однако благодаря меньшему значению Qoss, переключения нитрид-галлиевого транзистора IGOT60R070D1 происходят в восемь раз быстрее. Таким образом, длительность мертвого времени также может быть уменьшена в восемь раз.

Рис. 6. Сравнение энергии переключения и напряжения на выходе силового каскада на примере транзисторов IPL65R070C7 и IGOT60R070D1

Рис. 6. Сравнение энергии переключения и напряжения на выходе силового каскада на примере транзисторов IPL65R070C7 и IGOT60R070D1

Пользу от снижения Qoss можно реализовать двумя способами:

  • При фиксированной длительности мертвого времени может быть уменьшен пиковый ток намагничивания, необходимый для ZVS. Снижение тока приводит к уменьшению потерь проводимости на первичной стороне, в частности — в обмотках трансформатора и резонансной индуктивности. Это имеет особенно большое значение при работе с малой нагрузкой.
  • При фиксированном значении пикового тока намагничивания можно существенно уменьшить длительность мертвого времени, а значит — работать на более высоких частотах. Увеличение рабочей частоты в первую очередь будет полезно с точки зрения уменьшения габаритных размеров преобразователя. 

Заряд обратного восстановления Qrr

Разница Qrr для представленных семейств транзисторов оказывается еще более очевидной (рисунок 7). GaN-транзисторы физически не имеют обратного p-n-перехода, и для них Qrr равен нулю. Для SiC-транзисторов характерна быстрая рекомбинация инжектированных неосновных носителей, поэтому для представителей CoolSiC значение Qrr оказывается в десять раз меньшим, чем у представителей семейства CoolMOS.

Рис. 7. Сравнение величины Qrr для транзисторов различных семейств

Рис. 7. Сравнение величины Qrr для транзисторов различных семейств

На рисунке 8 поясняется природа потерь при обратном восстановлении диода в полумостовой схеме при жестких коммутациях. На данной диаграмме в первый момент времени нижний транзистор включен, а верхний отключен. Встроенный диод нижнего ключа находится под прямым смещением и проводит ток (IF > 0). Далее нижний транзистор отключается. К моменту включения верхнего транзистора неосновные носители в диоде не успевают комбинировать. В результате часть тока верхнего транзистора начинает протекать через диод (ток обратного восстановления). Этот негативный процесс заканчивается после того как диод восстанавливается (возвращается в непроводящее состояние). Стоит отметить, что процесс восстановления является критическим для верхнего транзистора, который работает одновременно при максимальном напряжении «сток-исток» и максимальном выбросе тока.

Рис. 8. Обратное восстановление диода при жестких переключениях

Рис. 8. Обратное восстановление диода при жестких переключениях

Для SiC-транзисторов обратное восстановление диодов является большой проблемой, а для семейства CoolSiC эта проблема менее чувствительна. Однако стоит отметить, что для широкозонных материалов, в частности для SiC, характерно высокое прямое падение на диоде, что приводит к соответствующему росту потерь при прямом смещении и, следовательно, к необходимости оптимального выбора мертвого времени. С другой стороны, благодаря низкому Qrr широкозонные транзисторы хорошо подходят для современных двунаправленных преобразователей, используемых в системах накопления энергии, в электромобилях и других применениях.

Заряд затвора Qg

Наименьшим значением заряда затвора обладают GaN-транзисторы семейства CoolGaN (рисунок 9). Именно это определяет их высокую эффективность при работе с малыми значениями нагрузки на высоких частотах.

Рис. 9. Сравнение величины Qg для транзисторов различных семейств

Рис. 9. Сравнение величины Qg для транзисторов различных семейств

 

Энергия Eoss

По данному параметру у транзисторов всех трех семейств примерно равные показатели. 

Нелинейная зависимость емкости Coss

Еще одной проблемой для кремниевых транзисторов CoolMOS является нелинейная зависимость выходной емкости Coss от напряжения. Для последнего поколения CoolMOS разница между Coss при низких и высоких напряжениях составляет три порядка, в то время как для CoolGaN и CoolSiC характерна более плавная зависимость емкости от напряжения (рисунок 10).

Рис. 10. Зависимость Coss от напряжения «сток-исток»

Рис. 10. Зависимость Coss от напряжения «сток-исток»

Само по себе уменьшение емкости является положительным явлением, так как чем меньше емкость, тем ниже потери. С другой стороны, для минимизации потерь приходится использовать более «прямоугольные» переключения, которые в случае с кремниевыми транзисторами приводят к таким негативным явлениям как паразитная третья гармоника и нестабильное поведение при работе с малой нагрузкой. В то же время для CoolGaN и CoolSiC такое поведение не характерно.

Практические испытания

Для практического сравнения эффективности транзисторов семейств CoolGaN, CoolSiC и CoolMOS использовались следующие типы преобразователей:

  • полумостовой LLC-преобразователь с выходным напряжением 12 В и мощностью 1 кВт (требование КПД более 97,5%) (рисунок 1);
  • трехфазный полумостовой LLC-преобразователь с выходным напряжением 48 В и мощностью 3 кВт (требование КПД более 99,1%) (рисунок 4);
  • двухфазный мостовой LLC-преобразователь с выходным напряжением 48 В и мощностью 3 кВт (требование КПД более 99,1%) (рисунок 3);
  • полумостовой LLC-преобразователь с выходным напряжением 48 В и мощностью 3 кВт (требование КПД более 98,5%) (рисунок 1).

Чтобы оценить соответствие требованиям 80 Plus Titanium, эффективность преобразователей измерялась при нагрузках 10% и 50%. Кроме того, преобразователи работали с тремя резонансными частотами 100/300/500 кГц. Разумеется, для каждой из рабочих частот выполнялась оптимизация магнитных компонентов.

На рисунке 11 представлены диаграммы эффективности 1 кВт LLC-преобразователей, полученные при нагрузке 50%. Кроме DC/DC-преобразователя в состав источника питания также входит ККМ, по этой причине для соответствия требованиям 80 Plus Titanium необходимо, чтобы КПД DC/DC-ступени был не менее 97,5%. При использовании резонансной частоты 100 кГц планку 97,5% смогли преодолеть все преобразователи, причем разница в КПД была незначительная.

Однако при увеличении частоты коммутаций до 300 кГц КПД преобразователя, построенного на кремниевых транзисторах CoolMOS, «просел» на 0,6% практически до минимального допустимого значения. В то же время уменьшение КПД для преобразователя, построенного на CoolSiC, составило примерно 0,26%, а для преобразователя на CoolGaN – примерно 0,16%.

При дальнейшем увеличении резонансной частоты до 500 кГц КПД преобразователя с кремниевыми ключами упал до 96,85%, что меньше чем значение, требуемое 80 Plus Titanium. КПД преобразователя с CoolSiC также уменьшился, но остался выше 97,5%. Как и ожидалось, преобразователь с CoolGaN продемонстрировал наилучшие частотные характеристики: даже при частоте 500 кГц его запас по КПД составил около 0,5%.

Рис. 11. КПД 1 кВт LLC-преобразователей при нагрузке 50%

Рис. 11. КПД 1 кВт LLC-преобразователей при нагрузке 50%

При исследовании эффективности 1 кВт LLC-преобразователей при нагрузке 10% ситуация изменилась в худшую сторону (рисунок 12). В таких случаях КПД преобразователей (с учетом 80 Plus Titanium) должен быть не менее 94%. Если на частоте 100 кГц все преобразователи смогли справиться с поставленной задачей, то уже при частоте 300 кГц требованиям 80 Plus Titanium отвечал только преобразователь на транзисторах CoolGaN. Аналогичная ситуация повторилась и при увеличении частоты до 500 кГц.

Таким образом, LLC-преобразователи на транзисторах CoolSiC и CoolMOS соответствовали требованиям 80 Plus Titanium только при рабочей частоте 100 кГц. Зато LLC-преобразователи на транзисторах CoolGaN отвечали требованиям данного стандарта даже при частоте 500 кГц.

Рис. 12. КПД 1 кВт LLC-преобразователей при нагрузке 10%

Рис. 12. КПД 1 кВт LLC-преобразователей при нагрузке 10%

В случае с преобразователем мощностью 3 кВт для получения общего КПД 98% необходимо, чтобы КПД DC/DC-ступени был не менее 99,1% (при нагрузке 50%).

Для получения столь высокого КПД при работе с CoolMOS-транзисторами хотя бы на частоте 100 кГц пришлось использовать трехфазную полумостовую топологию, в которой в каждом плече параллельно работала пара CoolMOS с сопротивлением 40 мОм. В случае с преобразователями на CoolGaN-транзисторах использовалась двухфазная мостовая LLC-топология и силовые ключи 70 мОм. Аналогичная топология использовалась и в случае с CoolSiC-транзисторами 65 мОм.

Результаты испытаний представлены на диаграммах рисунка 13. Из них видно, что преобразователи на CoolSiC и CoolMOS отвечают требованиям по КПД только при частоте 100 кГц и перестают им соответствовать при частотах 300 и 500 кГц. В то же время преобразователь на CoolGaN-транзисторах продемонстрировал стабильно высокий КПД более 99,1% даже при 500 кГц.

Рис. 13. КПД 3 кВт LLC-преобразователей при нагрузке 50% (требование КПД 99,1%)

Рис. 13. КПД 3 кВт LLC-преобразователей при нагрузке 50% (требование КПД 99,1%)

Для получения общего КПД источника питания 97% при использовании корректора коэффициента мощности с КПД 98,5% потребуется полумостовой LLC-преобразователь с КПД 98,5% (при нагрузке 50%).

Для решения поставленной задачи использовались силовые ключи 31 мОм CoolMOS CFD7, 35 мОм CoolGaN, 35 мОм CoolSiC. Диаграммы эффективности DC/DC-преобразователей представлены на рисунке 14. Как и в прошлом случае, преобразователи на транзисторах CoolSiC и CoolMOS отвечают заданным требованиям только на частоте 100 кГц. В то же время преобразователь на CoolGaN-транзисторах продемонстрировал стабильно высокий КПД более 98,5% даже при 500 кГц.

Рис. 14. КПД 3 кВт LLC-преобразователей при нагрузке 50% (требование КПД 98,5%)

Рис. 14. КПД 3 кВт LLC-преобразователей при нагрузке 50% (требование КПД 98,5%)

Отсюда следует вывод, что именно транзисторы семейства CoolGaN остаются единственным вариантом для построения высокочастотных преобразователей, отвечающих требованиям 80 Plus Titanium.

Области применения транзисторов различных семейств

Транзисторы семейства CoolGaN показали наилучшие результаты в проведенных испытаниях. Тем не менее, необходимо еще раз подчеркнуть, что речь шла только о высокочастотных преобразователях. При работе на низких частотах транзисторы CoolSiC и CoolMOS имеют свои достоинства.

Сейчас все три семейства – CoolMOS, CoolSiC и CoolGaN – взаимно дополняют друг друга (рисунок 15). Для высокочастотных приложений оптимальным выбором будут CoolGaN. Требованиям приложений большой мощности и среднего диапазона частот лучше всего отвечают CoolSiC. Низкочастотные мощные и маломощные приложения по-прежнему остаются территорией традиционных кремниевых ключей, в частности – семейства CoolMOS.

Рис. 15. Области применения транзисторов CoolMOS, CoolSiC и CoolGaN

Рис. 15. Области применения транзисторов CoolMOS, CoolSiC и CoolGaN

В качестве итога отметим преимущества каждого семейства транзисторов.

Преимуществами транзисторов CoolMOS являются:

  • простота разработки преобразователей;
  • относительно высокая эффективность преобразователей (до 98%) и широкий диапазон выходных мощностей;
  • возможность построения ККМ и LLC-преобразователей с рабочими частотами до 300 кГц;
  • приемлемая стоимость и широкая доступность;
  • простота отладки и наличие множества готовых решений.

Преимуществами транзисторов CoolSiC являются:

  • отличный выбор для ККМ и других мощных приложений с жесткими или мягкими коммутациями;
  • превосходная температурная стабильность;
  • наличие привычных корпусных исполнений и традиционный подход при проектировании драйверов;
  • идеальное решение для мощных двунаправленных преобразователей.

Преимуществами транзисторов CoolGaN являются:

  • отличный выбор для ККМ и других мощных приложений с жесткими или мягкими коммутациями;
  • лучшее соотношение КПД и плотности мощности;
  • превосходные высокочастотные характеристики;
  • наилучшее решение для двунаправленных преобразователей.

Что же в итоге?

Современные транзисторы семейств CoolMOS, CoolSiC и CoolGaN позволяют создавать мощные импульсные преобразователи в широком диапазоне мощностей и рабочих частот. У каждого из этих семейств есть сильные стороны, востребованные в тех или иных приложениях.

В частности, транзисторы CoolGaN идеально подходят для построения высокочастотных резонансных DC/DC-преобразователей, работающих в составе мощных источников питания. Именно с помощью CoolGaN удается обеспечить высокий уровень КПД (до 99%) даже при рабочей частоте 500 кГц, в соответствии с самыми жесткими стандартами, например, 80 Plus Titanium.

Литература

  1. Сертификация 80 Plus.
  2. Generalized Test Protocol for Calculating the Energy Efficiency of Internal Ac-Dc and Dc-Dc Power Supplies Revision 6.7.1.
  3. Алексей Гребенников. Каждой топологии – своя технология. Часть 1.
  4. HardCommutationofPower MOSFET.
  5. Experience the difference in power with CoolMOS™, CoolSiC™, and CoolGaN™
•••

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
1EDI05I12AFXUMA1 (INFIN)
1EDI20I12MFXUMA1 (INFIN)
1EDI20I12SVXUMA1 (INFIN)
1EDI20N12AFXUMA1 (INFIN)
1EDI30I12MFXUMA1 (INFIN)
1EDI60I12AFXUMA1 (INFIN)
1EDI60N12AFXUMA1 (INFIN)
1EDI40I12AFXUMA1 (INFIN)
1EDI20I12AFXUMA1 (INFIN)
1EDF5673FXUMA1 (INFIN)
1EDF5673KXUMA1 (INFIN)
2EDF7275FXUMA1 (INFIN)
2EDF7175FXUMA1 (INFIN)