Przewagi tranzystorów z azotku galu (GaN) w konstrukcjach AC/DC

Wraz z rozwojem hiperskalowych centrów danych, serwerów korporacyjnych i rozdzielni telekomunikacyjnych, gwałtownie rośnie zużycie energii, tak więc wysokowydajne zasilacze AC/DC stały się kluczem do dalszej ewolucji infrastruktury telekomunikacyjnej i serwerowej. Przemysł energoelektroniczny osiągnął już teoretyczną granicę wydajności krzemowych tranzystorów MOSFET. Jednakże na rynku pojawiły się tranzystory na bazie azotku galu (GaN), stanowiąc wysokowydajną alternatywę przełącznika wobec tradycyjnych MOSFET wytworzonych na bazie krzemu, oferując zwiększoną wydajność konwersji energii i umożliwiając jej większą gęstość. Jednak aby w pełni wykorzystać zalety tranzystorów GaN, potrzebna jest również nowa koncepcja izolacji.

Tranzystory GaN mogą przełączać się znacznie szybciej niż krzemowe tranzystory MOSFET i mogą osiągać niższe straty przełączania dzięki następującym cechom:

• Mniejszej pojemności bramki i mniejszej pojemności wyjściowej.
• Niższemu źródle drenu na rezystorze (R_DS(ON)) w przypadku wyższych prądów, co skutkuje niższymi stratami przewodzenia.
• Niskiemu lub zerowemu ładunkowi regeneracyjnemu (Q_RR), ze względu na brak konieczności stosowania diody.

Tranzystory GaN mogą stać się podstawą większości zasilaczy AC/DC, które składają się z oddzielnych sekcji korekcji współczynnika mocy (power factor correction, PFC) i sekcji DC-DC: przedniego, bezmostkowego PFC i następnie konwertera rezonansowego LLC (dwa wzbudniki i jeden kondensator). Taką topologię, opierającą się wyłącznie na obwodach półmostkowych i pełnomostkowych, pokazano na Rysunku 1.

Rysunek 1. Typowy zasilacz AC/DC do zastosowań telekomunikacyjnych i serwerowych. Żródło: iCoupler Technology Benefits Gallium Nitride (GaN) Transistors in AC/DC Designs ©Analog Devices

Aby sprostać wymaganiom wyższych częstotliwości przełączania, wraz z cyfrowym procesorem sygnałowym (DSP) jako głównym kontrolerem oraz tranzystorem GaN, zastępującym MOSFET, wymagane jest zastosowanie nowej technologii izolacji. Dotyczy to głównie izolowanych sterowników GaN.

Typowe rozwiązania i wymagania izolacyjne

Izolacja komunikacji UART

Zmiana z poprzedniego systemu sterowanego analogowo na system sterowany procesorem DSP wymaga odizolowania sygnałów PWM (pulse-width modulated) i sygnałów sterujących. Do komunikacji UART między procesorami DSP może być używany dwukanałowy układ ADuM121. Mniejszy rozmiar i wysoka gęstość mocy mają kluczowe znaczenie w ewolucji zasilaczy AC/DC, w związku z tym wymagane są również mniejsze rozmiary samych izolatorów. Aby zminimalizować całkowity rozmiar układu izolacji, podczas montażu płyt stosuje się uszczelniacze na bazie żywicy epoksydowej.

Izolacja sekcji PFC

W przeciwieństwie do MOS, w przypadku GaN krytycznymi parametrami są opóźnienie/odchylenia propagacji, ujemne odchylenie/clamp i rozmiar sterownika bramki ISO. Aby sterować tranzystorem półmostkowym lub pełnym mostkiem na bazie GaN, w sekcji PFC może być użyty jednokanałowy sterownik ADuM3123 a sekcji LLC dwukanałowy sterownik ADuM4223.

Zasilanie urządzeń za barierą izolacyjną

Oparty na zaprojektowanych do przenoszenia mocy przez barierę izolacyjną technologii isoPower® firmy ADI, ADuM5020 jest kompaktowym układem dopasowującym  pomocnicze zasilanie tranzystora GaN do zasilania bramki.

Wymagania izolacji

Aby w pełni wykorzystać możliwości tranzystora GaN, należy przestrzegać rekomendowanych wymagań, dotyczących izolowanych sterowników bramek:

·      Maksymalne dopuszczalne napięcie bramki <7V

·      >100 kV/ms dv/dt w węźle łączeniowym, 100 kV/µs do 200 kV/µs CMTI

·      dla aplikacji 650V, opóźnienie przełącznika high/low na poziomie ≤50 ns

·      Wyłączanie za pomocą zacisku ujemnego napięcia (–3 V)

Istnieje kilka rozwiązań do sterowania zarówno górną, jak i dolną stroną tranzystora półmostkowego. Jednym z mitów na temat tradycyjnego sterownika wysokonapięciowego jest to, że prostsza implementacja jednoukładowa może być stosowana tylko w przypadku tranzystorów MOSFET opartych na krzemie. Tymczasem, w niektórych produktach z wyższej półki (na przykład zasilacze do serwerów), w kompaktowych konstrukcjach do sterowania MOS służy podwójnie izolowany sterownik ADuM4223. Jednak, po przejściu na technologię GaN, rozwiązanie level-shift ma wady, takie jak bardzo duże opóźnienie propagacji i ograniczona odporność na stany przejściowe w trybie wspólnym (CMTI) i w związku z tym nie jest optymalne dla wysokiej częstotliwości przełączania. W porównaniu do sterowników jednokanałowych, podwójnie izolowany sterownik nie pozwala na elastyczne projektowania układu, ma też trudności z konfiguracją negatywnego odchylenia. Tabela 1 przedstawia porównanie tych metod.

Tabela: Porównanie różnych metod sterowania tranzystorem półmostkowym GaN.

Rysunek 2. Typowe możliwości i wymagania ISO przy izolacji UART/PFC w układach isoPower. Żródło: iCoupler Technology Benefits Gallium Nitride (GaN) Transistors in AC/DC Designs ©Analog Devices

Sterowniki jednokanałowe są przygotowane do obsługi tranzystorów GaN. Typowym jednokanałowym sterownikiem jest ADuM3123, wykorzystujący zewnętrzne zasilanie obsługiwane przez diody Zenera i (opcjonalnie) układy dyskretne dla ujemnego odchylenia, jak pokazano na Rysunku 3.

Rysunek 3: Aplikacja jednokanałowego, izolowanego sterownika isoCoupler tranzystora GaN. Żródło: iCoupler Technology Benefits Gallium Nitride (GaN) Transistors in AC/DC Designs ©Analog Devices

Nowy trend: dostosowane do indywidualnych potrzeb, izolowane moduły GaN

Obecnie układy GaN i ich sterowniki znajdują się w oddzielnych obudowach, co wynika z różnych procesów produkcyjnych przełączników GaN i sterowników izolacji. W przyszłości, ze względu na zmniejszenie efektu pasożytniczego wzbudnika, integracja tranzystorów GaN i sterowników barier izolacyjnych w jednym pakiecie zwiększy wydajność przełączania.  Część kluczowych dostawców usług telekomunikacyjnych planuje samodzielną  produkcję systemów GaN jako indywidualnych, niestandardowych modułów. W dłuższej perspektywie, rozwój sterowników GaN umożliwi tworzenie modułów izolacyjnych o jeszcze mniejszych rozmiarach. Przykładem tego trendu mogą być małe, jednokanałowe układy, takie jak ADuM110N (niskie opóźnienie propagacji, wysoka częstotliwość) i isoPower ADuM5020, oferujący uproszczenie konstrukcji (Rysunek 4).

Rysunek 4. iCoupler ADuM110N i isoPower ADuM5020 wraz z modułem Navitas GaN. Żródło: iCoupler Technology Benefits Gallium Nitride (GaN) Transistors in AC/DC Designs ©Analog Devices

Podsumowanie

W porównaniu z tradycyjnymi tranzystorami MOSFET na bazie krzemu, tranzystory GaN oferują mniejsze rozmiary, mniejszą rezystancję i wyższą częstotliwość roboczą. Przejście na technologię GaN może zmniejszyć całkowity rozmiar układu bez uszczerbku dla jego wydajności. Układy GaN mają przed sobą wielkie perspektywy, zwłaszcza w zasilaczach średniego i wysokiego napięcia. Technologia iCoupler® firmy ADI zapewnia postęp w zakresie sterowania przełącznikami i tranzystorami GaN.

Żródło: iCoupler Technology Benefits Gallium Nitride (GaN) Transistors in AC/DC Designs ©Analog Devices

Autor: Robbins Ren