Pytanie

Jak mogę zaprojektować 4-przełącznikową przetwornicę DC-DC typu buck-boost wykorzystującą tranzystory GaNFET, gdy nie ma dostępnych sterowników specjalnie zaprojektowanych dla tranzystorów GaNFET?

Odpowiedź

Tranzystory GaNFET są znane  tego, że są trudniejsze do wysterowania i, jeśli używany jest sterownik przeznaczony do krzemowych (Si) tranzystorów MOSFET, mogą wymagać dodatkowych elementów zabezpieczających. Zapewnienie bezpiecznego, kompleksowego sterowania tranzystorami GaN z zastosowaniem 4-przełącznikowego układu buck-boost pracującego z wysoką częstotliwością wymaga  ponadto odpowiedniej dbałości przy wyborze właściwego napięcia zasilania.

Wprowadzenie

W niekończącym się dążeniu do zmniejszenia rozmiarów płytek drukowanych układów elektronicznych i zwiększenia efektywności, urządzenia zasilające z tranzystorami polowymi z azotku galu (GaNFET) stały się idealnym kandydatem do przekroczenia tych granic. GaN to raczkująca jeszcze technologia, która stwarza możliwości uzyskiwania wyższej mocy z ultraszybkim przełączaniem i zmniejszonymi, związanymi z tym stratami. Zalety te pozwalają na stosowanie rozwiązań charakteryzujących się większą gęstością mocy. Obecnie rynek jest nasycony niezliczoną liczbą różnych sterowników Si MOSFET, a nowe sterowniki GaN i sterowniki z wbudowanymi driverami GaN będą dostępne dopiero za kilka lat. Oprócz prostych driverów opracowanych specjalnie dla GaNFET (takich jak LT8418), na rynku dostępne są także złożone sterowniki buck i boost przeznaczone dla GaN (LTC7890, LTC7891). Nadal nie ma jednak prostego rozwiązania typu buck-boost z 4 przełącznikami. Jednakże, wysterowanie tranzystorów GaNFET nie jest tak trudne, jak mogłoby się wydawać. Przystosowanie sterowników Si MOSFET do sterowania tranzystorami GaNFET wymaga względnie prostej wiedzy.

Doskonale nadaje się do tego układ LT8390A. Jest to unikatowy, 2-megahercowy sterownik buck-boost z bardzo krótkim czasem martwym (25 ns) – rys. 1. Układ buck-boost ma rezystor pomiarowy umiejscowiony w jednej linii z cewką indukcyjną, poza obiema gorącymi pętlami – to nowatorska funkcja dla przetwornic buck-boost. Rozwiązanie to pozwala na pracę w trybie sterowania prądem szczytowym zarówno w trybie boost, jak i buck (a także w trybie buck-boost z 4 przełącznikami). W artykule omówiono sterowanie GaNFET z 4 przełącznikami buck-boost, ale informacje te można także rozszerzyć na proste sterowniki buck lub boost.

Rys. 1. Schemat 4-przełącznikowego sterownika GaNFET typu buck-boost EVAL-LT8390A-AZ 24 VOUT 5 A

Koniecznością jest 5-woltowy sterownik bramki

W przypadku konwersji dużej mocy sterowniki krzemowe zwykle wymagają napięcia powyżej 5 V, z tym że typowe sterowniki krzemowych bramek MOSFET mają napięcie od 7 V do 10 V, a nawet wyższe. Stanowi to pewien kłopot podczas projektowania sterowników dla tranzystorów GaNFET, ponieważ bezwzględne maksymalne napięcie znamionowe bramki zwykle wynosi dla nich 6 V. W rezultacie nawet niewielkie dzwonienie spowodowane na przykład indukcyjnościami błądzącymi występującymi na płytce w liniach powrotnych bramki i źródła przekraczające maksymalne napięcie bramki, może prowadzić do katastrofalnych awarii. Do tego, by bezpiecznie i efektywnie wysterować GaNFET konieczne jest zminimalizowanie indukcyjności w bramce i źródłowych sygnałach powrotnych, wymagające starannego przemyślenia układu ścieżek. Oprócz tego kluczowe znaczenie w zapobieganiu katastrofalnym przepięciom bramek ma wdrożenie ochrony na poziomie elementów.

W układzie LT8390A został zaimplementowany 5-woltowy driver bramki zaprojektowany specjalnie dla tranzystorów FET o niższym napięciu bramki. Można więc uznać, że jest to idealny wybór dla tranzystorów GaNFET. Problem polega na tym, że krzemowe sterowniki FET często nie są zabezpieczone przed przypadkowym przepięciem. Szczególnego znaczenia nabiera brak regulacji zasilania rozruchowego dla górnych tranzystorów FET w krzemowych sterownikach bramek. Oznacza to, że górny sterownik bramki może łatwo dryfować powyżej absolutnego maksymalnego napięcia GaNFET. Na rys. 2 pokazano, jak temu groźnemu zjawisku można zaradzić. I tak, każda z diod Zenera 5,1 V (D5 i D6) jest połączona równolegle z kondensatorem rozruchowym, co pozwala zacisnąć to napięcie na zalecanym poziomie wysterowania GaNFET. Zapewnia to, że napięcie bramki pozostaje w bezpiecznym zakresie roboczym.

Rys. 2. Uproszczony schemat 4-przełącznikowego sterownika GaN buck-boost z elementami zabezpieczającymi sterowanie GaN

Rys. 3. Zależność maksymalnego prądu wyjściowego EVAL-LT8390A-AZ w funkcji napięcia wejściowego. Płytka może dostarczać moc 120 watów w szerokim zakresie napięć wejściowych i wysokiej częstotliwości pracy

Rys. 4. Sprawność sterownika EVAL-LT8390A-AZ GaN vs. sprawność sterownika DC2598A Si MOSFET. GaNFET zapewniają wyższą sprawność przy wyższym napięciu

Ponadto, dla zwiększenia ochrony, szeregowo z diodami bootstrap (D3 i D4) dodawany jest rezystor 10 Ω. Redukuje on dzwonienia, które mogą być spowodowane przez szybkie przełączanie sygnałów o dużej mocy.

Wyzwania związane z czasem martwym i diodą „body”

W tradycyjnych przetwornicach stosowana jest dioda podtrzymująca, która przewodzi w czasie wyłączenia. W przetwornicach synchronicznych, aby zmniejszyć straty przewodzenia dioda „catch” jest zastępowana innym przełącznikiem. Problem pojawia się jednak, gdy górny i dolny przełącznik włączają się jednocześnie. Skutkuje to przebiciem, w którym oba FET-y mogą być zwarte do masy. Niestety może to prowadzić do awarii innych elementów oraz, co gorsza, spowodować dużo poważniejsze konsekwencje. Aby temu zapobiec, w sterownikach implementowany jest czas martwy, czyli okres, w którym ani górny, ani dolny przełącznik nie jest włączony. W typowych rozwiązaniach przetwornic DC-DC czas ten może dochodzić do 60 ns. Należy podkreślić, że czas martwy nie stanowi istotnego problemu w przypadku krzemowych tranzystorów MOSFET, ponieważ dioda „body” przewodzi w tej fazie pracy przetwornicy.

GaNFET-y nie posiadają diod „body” i włączają/wyłączają się znacznie szybciej niż krzemowe MOSFET-y. Zamiast diod przewodzących w czasie spoczynku, GaNFET-y mogą przewodzić z napięciem od 2 V do 4 V w porównaniu do typowego 0,7 V diody krzemowej. To napięcie przewodzenia, pomnożone przez prąd przewodzenia, może skutkować prawie 6-krotnie większą stratą mocy podczas czasu martwego. Ta zwiększona strata mocy, w połączeniu z długim czasem martwym, może z kolei prowadzić do przegrzania i uszkodzenia tranzystorów FET. Najlepszym rozwiązaniem jest zminimalizowanie czasu martwego. Jednak w sterownikach przeznaczonych dla krzemowych tranzystorów FET czas martwy jest projektowany z uwzględnieniem powolnej charakterystyki włączania/wyłączania tych tranzystorów. Czasy te są mierzone w dziesiątkach nanosekund. Dlatego, aby zapobiec przebiciom, czas martwy jest wydłużany. W układzie LT8390A został on ustawiony na 25 ns, co jest krótszym czasem martwym w porównaniu do wielu sterowników synchronicznych dostępnych na rynku. Chociaż tak przyjęta wartość jest odpowiednia do sterowania MOSFET-ami o wysokiej częstotliwości i dużej mocy, nadal jest to zbyt długi czas dla GaNFET-ów. Tranzystory te mogą włączać się niezwykle szybko (w ciągu kilku ns). Dlatego, aby złagodzić dodatkowe straty przewodzenia w czasie martwym, zalecane jest dodanie do synchronicznego GaNFET-a diody Schottky’ego w układzie antyrównoległym. W ten sposób uzyskiwane jest przekierowanie przewodzenia na mniej stratną ścieżkę. Diody D1 i D2 na rys. 2 pokazują, w którym tranzystorze FET należy umieścić diody Schottky’ego. D1 jest umieszczona równolegle do synchronicznego FET-a po stronie buck, a D2 równolegle do synchronicznego FET-a po stronie boost. W przypadku prostej przetwornicy buck wymagana jest tylko dioda D1. W przypadku prostej przetwornicy boost należy użyć D2.

Większa moc przy wyższej częstotliwości

Przetwornica LT8390A ma częstotliwość przełączania do 2 MHz. GaNFET-y mają znacznie niższe straty przełączania w porównaniu do tranzystorów Si MOSFET. Podobne straty mocy występują więc przy wyższych częstotliwościach przełączania i wyższych napięciach. Ustawiając na płytce EVAL-LT8390A-AZ GaNFET częstotliwość przełączania przetwornicy na 2 MHz można łatwo zademonstrować zalety stosowania tranzystorów tego typu przejawiające się dużą wydajnością i kompaktowymi rozmiarami. Przy napięciu wyjściowym 24 V, tranzystory GaNFET mogą w temperaturze pokojowej wytwarzać moc 120 W. Rozmiar płytki jest porównywalny z poprzednią płytką ewaluacyjną LT8390A: DC2598A, w której zostały użyte krzemowe tranzystory MOSFET, zapewniającej napięcie wyjściowe 12 V i moc 48 W. Na rys. 3 przedstawiono maksymalną moc wzmacniacza GaN buck-boost 2 MHz, a na rys. 4 została porównana sprawność obu płytek. Nawet przy wyższych napięciach i 2,5-krotnej mocy wyjściowej, płytka GaNFET zapewnia lepszą wydajność niż płytka Si MOSFET. Zastosowanie tranzystorów GaNFET umożliwia pracę przy wyższych napięciach i wyższej mocy uzyskiwanych na płytkach o podobnej powierzchni.

Wnioski

Efektywne sterowanie tranzystorami GaNFET jest możliwe nawet wtedy, gdy nie dysponujemy przetwornicami DC-DC specjalnie do tego przystosowanymi.

Nawet przy użyciu kontrolera pierwotnie przeznaczonego do sterowania tranzystorami Si MOSFET, płytka EVAL-LT8390A-AZ może z łatwością przewyższyć moc i osiągnąć wyższą wydajność na podobnej powierzchni. W tab. 1 przedstawiono szeroki wybór zalecanych układów do sterowania tranzystorami GaNFET. W przypadku jeszcze wyższych wymagań dotyczących mocy, takich jak równoległe sterowanie GaNFET typu buck-boost, należy kontaktować się z producentem. Badając kontroler, który oferuje sterownik bramki 5 V i umożliwia włączenie dodatkowych zewnętrznych elementów układu zabezpieczającego, można bezpiecznie sterować tranzystory GaNFET i sprawdzić więcej możliwości projektowania układów przetwarzania mocy.

Kevin Thai, menedżer ds. zastosowań