- Вступ Забезпечення стабільної роботи паралельно включених нітрид-галієвих транзисторів (GaN FET)...
- Паралельне включення GaN-транзисторів з корпусом TO-220
- Паралельне включення GaN-транзисторів з корпусом TO-247
- Рішення 2: паралельне включення транзисторів TO-247 з використанням феритового фільтра
- Паралельне включення транзисторів TO-247 з використанням вивідних феритових фільтрів
- Паралельне включення транзисторів TO-247 з використанням феритових фільтрів поверхневого монтажу (SMD)
- висновок
Вступ
Забезпечення стабільної роботи паралельно включених нітрид-галієвих транзисторів (GaN FET) в потужних мостових перетворювачах з жорсткими перемиканнями являє собою досить складну задачу, особливо якщо мова йде про вивідних корпусних виконань. Через високу швидкість перемикання dv / dt, di / dt, великих динамічних струмів і значною комутованої потужності дисбаланс між паралельно включеними GaN-транзисторами виявляється потенційно більше, ніж у випадку з кремнієвими (Si) МОП-транзисторами. У даній статті пропонується вирішення проблеми паралельного включення GaN-транзисторів в мостових перетворювачах з використанням феритових фільтрів і / або RC-демпферів. Також в статті обговорюються особливості драйверів для GaN-транзисторів.
Рішення 1. Просте паралельне включення транзисторів TO-220 / TO-247
У статті «Paralleling GaN HEMTs for Diode-free Bridge Power Converters» була запропонована схема з прямим паралельним включенням GaN-транзисторів. У ній для вирівнювання струмів і для запобігання коливань використовувалися симетрична топологія друкованої плати, негативне замикає напруга затвора і помехоподавляющие RC-ланцюжка. На рис. 1 показана базова полу мостова схема з використанням одного драйвера напівмоста.
Мал. 1. полумостового схема з парою паралельних GaN-транзисторів з корпусами TO-220
Паралельне включення GaN-транзисторів з корпусом TO-220
На рис. 2 представлена друкована плата полумостовой схеми з двома паралельними транзисторами. Для того щоб зробити ланцюга затворів максимально симетричними, транзистори були розташовані в ряд. Можна помітити, що довжина ланцюгів затворів і площа ключового вузла збільшилися в порівнянні з варіантом, коли ключі розташовувалися «спина до спини». Таке розташування є вдалим з точки зору ефективного тепловідведення, так як транзистори виявляються рознесеними по радіатора і не ділять загальну область для відводу тепла. З іншого боку, через збільшення паразитного індуктивності (в порівнянні зі звичайною схемою з одним транзистором в кожному плечі), необхідно використовувати замикає напруга Vgs з негативним зміщенням 10 / -4 В, щоб уникнути помилкового включення при кидках напруги. Область друкованої плати, на якій розташовані комутуючі елементи, не повинна перекриватися з шарами землі GND або шарами високої напруги, оскільки утворюється при цьому паразитная ємність призводить до додаткових втрат потужності, а також до виникнення коливань. Для зменшення кидків напруги і підвищення надійності може бути використана опциональная малопотужна Помехоподавляющие RC-ланцюжок.
Через високу швидкість наростання сигналу dv / dt перешкоди від комутаційного вузла можуть передаватися на низьковольтну частина схеми через ізольоване джерело живлення верхнього плеча. Щоб цього уникнути, був обраний нізкоемкостной джерело (<3 пФ) і синфазних фільтр, які здатні ефективно погасити синфазний струм. Синфазних фільтр в ланцюзі джерела живлення необхідний для фільтрації струмових перешкод по ланцюгу харчування. Другим способом усунення впливу перешкод dv / dt буде використання неізольованою бутстрепной схеми для формування негативного напруги зсуву. Для перевірки працездатності запропонованого перетворювача були проведені комутаційні випробування з жорстким режимом перемикань. На рис. 3 видно, що транзистори як верхнього, так і нижнього плеча безпечно і багаторазово перемикаються при навантаженні 50 A без уповільнення швидкості перемикання (Rg = 0).
Мал. 2. Топологія друкованої плати з двома паралельними TPH3206PS
Мал. 3. Тестування схеми з паралельними GaN-транзисторами TO-220:
(A) осцилограми перемикань транзисторів верхнього плеча зі струмом до 51,6 А,
(B) осцилограми перемикань транзисторів нижнього плеча зі струмом до 52 А
Паралельне включення GaN-транзисторів з корпусом TO-247
Корпус TO-247 більш масивний і дозволяє домагатися більшої потужності. Тому при паралельному включенні транзисторів з корпусами TO-247 рекомендується використовувати окремі плати для харчування і управління. На рис. 4 показана топологія друкованої плати драйвера, а на рис. 5 показана збірка з пари плат полумостового перетворювачів з двома паралельними транзисторами TO-247. Таким чином, петлі харчування обох ключів виявляються симетричними, компактними і відокремленими від схеми драйвера.
Мал. 4. Друкована плата драйвера полумостовой схеми на паралельних транзісторахTO-247: (a) верхня сторона, (b) нижня сторона
Незалежно від того, яке з корпусних виконань використовується, TO-247 або TO-220, що рекомендується напруга управління затвором становить +10 В / -4 В Vg. Різниця в тому, що при паралельному включенні транзисторів TO-247 необхідна Помехоподавляющие RC-ланцюжок (для кожного ключа застосовується демпфер 47 пФ + 10 Ом). На рис. 6 показані осцилограми випробувань на стійкість при жорстких перемикань з струмовим навантаженням понад 80 А.
Мал. 5. півмилі на двох паралельних транзисторах TO-247
Мал. 6. Жорсткі перемикання з струмовим навантаженням> 80 А: (a) осцилограми перемикань транзисторів верхнього плеча зі струмом до 86,8 А, (b) осцилограми перемикань транзисторів нижнього плеча зі струмом до 93,6 А
Рішення 2: паралельне включення транзисторів TO-247 з використанням феритового фільтра
У попередньому розділі ми оптимізували топологію друкованих плат, щоб гарантувати стабільну роботу схеми при паралельному включенні транзисторів, однак високочастотні перешкоди, викликані паразитного індуктивністю і вихідний ємністю, як і раніше присутні на платі. Ці паразитні елементи здатні приводити не тільки до спонтанних перемикань між нижніми і верхніми плечима, але і до неузгоджені перемикань двох паралельних транзисторів, що призведе до виходу пристрою з ладу. З керівництва по застосуванню AN0009 «Recommended External Circuitry for Transphorm GaN FETs» відомо, що частота «дзвону» (паразитних коливань) для польових GaN-транзисторів від Transphorm становить близько 50 ~ 200 МГц, і додавання феритових фільтрів (намистин) у ланцюг стоку дозволяє придушити перешкоди і значно поліпшити стабільність роботи полумостовой схеми. В цьому і полягає альтернативне рішення щодо забезпечення стабільності при паралельному включенні GaN-транзисторів.
Паралельне включення транзисторів TO-247 з використанням вивідних феритових фільтрів
На рис. 7 показана полу мостова схема з паралельними GaN-транзисторами з додатковими феритовими фільтрами в ланцюгах стоку. Феритові фільтри збільшують імпеданс між двома паралельними ключами і запобігають їх від осциляцій.
Так як «дзвін» усувається, то ключі на платі допустимо розташовувати в ряд, хоча паразитная індуктивність при цьому виявиться вище, ніж в разі, коли транзистори розташовані «спина до спини». На рис. 8 ключі на друкованій платі розташовані «спина до спини».
У порівнянні з рішенням без феритових фільтрів розводка друкованої плати виявляється простий і не вимагає поділу на окремі плати для силового каскаду і драйвера. Однак симетричність схеми як і раніше є дуже важливим фактором для отримання успішного результату.
Мал. 7. полумостового схема з парою паралельних GaN-транзисторів з феритовими намистинками в ланцюгах стоку
Мал. 8. Паралельне включення пари GaN-транзисторів з феритовими намистинками в ланцюгах стоку: (a) принципова схема, (b) розводка друкованої плати, (c) зовнішній вигляд друкованої плати, (d) встановлений радіатор
Комутаційні випробування були проведені для транзисторів верхнього і нижнього плеча, при різній напрузі шини харчування. На рис. 9 і 10 показані осцилограми перемикань транзисторів нижнього і верхнього плеча при напружених 200-400 В. Можна помітити, що високочастотні коливання були придушені. Якщо використовується феритовий фільтр, то від Помехоподавляющие RC-ланцюжка можна відмовитися, що дозволить знизити втрати при перемиканні. На рис. 11 показані осцилограми перемикань при навантажувальні струмі 50 А без RC-ланцюжка, при цьому імпульси напруги виявляються не набагато вище, ніж при використанні RC-ланцюжка.
Мал. 9. Осцилограми перемикань транзисторів нижнього плеча: червона = iL, жовта = Vds
Мал. 10. Осцилограми перемикань транзисторів верхнього плеча: червона = iL, жовта = Vds
Мал. 11. Осцилограми перемикань транзисторів без RC-ланцюжка при навантаженні 50 А:
(A) для транзисторів нижнього плеча зі струмом до 53,4 А,
(B) для транзисторів верхнього плеча зі струмом до 52,6 А
Паралельне включення транзисторів TO-247 з використанням феритових фільтрів поверхневого монтажу (SMD)
Можна довести, що сільноточние ферритові SMD-фільтри так само ефективні при усуненні «дзвону», як і помехоподавляющие RC-ланцюжка. На рис. 12 показана принципова схема, розводка і зовнішній вигляд зібраної друкованої плати з паралельними транзисторами TO-247 і феритовими SMD-фільтрами. Топологія друкованої плати дуже схожа на топологію плати з попереднього випадку з фільтрами для монтажу в отвори. Слід зауважити, що феритовий SMD-фільтр повинен розташовуватися поблизу стоку, а проводить малюнок повинен бути симетричним.
Для перевірки стабільної роботи схеми були проведені комутаційні випробування. На рис. 13 показані осцилограми перемикань транзисторів верхнього і нижнього плеча при навантаженні понад 100 А з використанням двох феритових SMD-фільтрів 30 Ом / 100 МГц. Можна відзначити, що невеликі коливання як і раніше виникали при включенні транзисторів верхнього плеча. Після додавання RC-демпферів, ці осциляції зникли (рис. 14). При випробуваннях напруга шини Vds складало 400 В, а Vgs 12 В.
Мал. 12. Паралельне включення пари GaN-транзисторів з феритовими SMD-фільтрами: (a) принципова схема, (b) розводка друкованої плати, (c) зовнішній вигляд друкованої плати
Мал. 13. Осцилограми перемикань транзисторів з феритовими SMD-фільтрами: (a) для транзисторів верхнього плеча, (b) для транзисторів нижнього плеча
Мал. 14. Осцилограми перемикань транзисторів з феритовими SMD-фільтрами та додатковими Помехоподавляющие RC-ланцюжками: (a) для транзисторів верхнього плеча (b) для транзисторів нижнього плеча
Вимірювання ККД схеми вироблялося при роботі напівмоста в режимі підвищує синхронного перетворювача. Вхідна напруга становило 200 В, вихідна напруга 400 В, частота перемикань 100 кГц, дросель 276 мкГн з сердечником KoolMμ®. На рис. 15 показані графіки залежності ККД при використанні RC-демпфера (47 пФ + 10 Ом) і без RC-демпфера. Пікове значення ККД становить близько 98,8% при потужності 2,5 кВт ~ 3 кВт. Слід зазначити, що потужність перетворювача була обмежена розмірами радіатора і потенційно могла перевищувати 5,5 кВт, при температурі корпусу близько 100 ° C.
Мал. 15. ККД підвищувального полумостового синхронного перетворювача, що використовує паралельне включення пари транзисторів TPH3205WSB
висновок
У даній статті представлені рекомендації з проектування схем з паралельним включенням GaN-транзисторів, також був запропонований реальний робочий приклад такої схеми. Були обговорені особливості драйверів і топологій друкованих плат при використанні польових GaN-транзисторів з похідними корпусними виконаннями. Був розроблений полумостовой синхронний перетворювач на базі двох паралельних транзисторів TPH3205WSB. Розглянуто його робота як при наявності феритових фільтрів і помехоподавляющих RC-ланцюжків, так і без них. Транзистори верхнього і нижнього плеча пройшли комутаційні випробування з навантаженням 100 А в умовах жорстких перемикань. Випробування синхронного перетворювача 200 В / 400 В показали, що вихідна потужність може бути збільшена до 5,5 кВт і навіть вище, а ефективності досягає 98,8% при частоті перемикання 100 кГц.
Характеристики GaN-транзистора TPH3206PS:
- Робоча напруга: 600 В;
- Опір у відкритому стані: 180 мОм;
- Прямий постійний струм (25º С): 17 А;
- Імпульсний струм: 60 А;
- Зворотний струм: 12 А;
- Напруга затвор-витік: ± 18 В;
- Вхідна ємність: 760 пФ;
- Заряд відновлення діода: 54 нКл;
- Діапазон робочих температур: -55 ... 150 ° C;
- Корпусне виконання: TO-220.
Характеристики GaN-транзистора TPH3205WSB:
- Робоча напруга: 650 В;
- Опір у відкритому стані: 60 мОм;
- Прямий постійний струм (25 ° С): 35,2 А;
- Імпульсний струм: 150 А;
- Зворотний струм: 22 А (коефіцієнт заповнення 50%);
- Напруга затвор-витік: ± 18 В;
- Вхідна ємність 2200 пФ;
- Заряд відновлення діода: 136 нКл;
- Діапазон робочих температур: -55 ... 150 ° C;
- Корпусне виконання: TO-247 3L.