Преимущества использования нитрид-галлиевых транзисторов в силовой электронике

Для начала рассмотрим ограничения существующих технологий кремниевых полевых транзисторов и то, какой «идеальный» переключающий элемент хотели бы иметь в своем распоряжении разработчики блоков питания. В части управления потерями проводимости все достаточно просто. Чтобы снизить эффективное значение R_DS(on) до незначительного уровня, необходима или большая площадь полевого транзистора, или параллельное соединение нескольких полевых транзисторов. Но здесь мы должны учитывать известный компромисс. Большее количество полевых транзисторов также означает большую емкость и, следовательно, больший заряд, вследствие чего увеличиваются частотно-зависимые потери на переключение. Таким образом, для данного диапазона частот разработчики блоков питания для достижения общего низкого уровня потерь должны сбалансировать проводимость и потери на переключение. Кроме того, в некоторых топологиях изготовления таких приборов динамические характеристики встроенного в полевой транзистор диода оказывают значительное влияние на общие частотно-зависимые потери. Вот это и есть та область, в которой новые технологии, такие как использование нитрида галлия (GaN), могут привести к положительному эффекту.

Для данного значения R_DS(on) переключающие приборы на основе нитрида галлия обладают меньшим выходным зарядом Q_oss, более низким зарядом затвора Q_g и значительно более низким объемным зарядом встроенного диода Q_rr, чем наилучшие из имеющихся на текущий момент кремниевых полевых транзисторов. Кроме того, устройства на основе нитрида галлия имеют гораздо более линейную характеристику заряда относительно напряжения, чем полевые транзисторы с суперпереходом, выполненные по технологии Super Junction, которая является доминирующей для высоковольтных полевых транзисторов, использующихся в настоящее время в ИП. Линейность Q_oss играет ключевую роль в снижении времени бестоковой паузы и, следовательно, обеспечивает высокую эффективность на высоких частотах.

Нитрид-галлиевые транзисторы типа HEMT

Новое поколение устройств на основе нитрида галлия — транзисторы типа HEMT (High Electron Mobility Transistor) с высокой подвижностью электронов. В целях рентабельности производства они изготавливаются на кремниевых подложках, а не на подложках из карбида кремния или в виде чистой нитрид-галлиевой структуры (хотя оба эти варианта проще в изготовлении, они значительно дороже).

Транзисторы, выполненные по технологии HEMT, являются полупроводниковыми приборами с вертикальной структурой. Они могут быть изготовлены в режиме либо обогащения, либо обеднения канала транзистора носителями заряда [1]. Для разработчиков силовой электроники, как правило, нормально выключенный силовой ключ (полевой транзистор выключен, когда напряжение на его затворе равно нулю) гораздо предпочтительнее, чем нормально включенный, даже если он может обеспечить некоторые дополнительные преимущества. Это связано с тем, что, как правило, в конечном устройстве достаточно сложно управлять током во время включения и выключения питания. Для этого, например, требуется мастер-ключ включения или формирование предварительного смещения, чтобы убедиться в том, что нормально включенный транзистор не включится случайным образом, когда схема управления даст команду на включение или выключение. Первоначально нитрид-галлиевые транзисторы типа HEMT на рабочее напряжение 600 В, разработанные для силовой электроники, представляли собой транзисторы, работающие в режиме обеднения канала носителями заряда.

Чтобы решить проблему нормально включенного транзистора, транзистор типа HEMT, работающий в режиме обеднения канала носителями заряда, объединяли с низковольтным кремниевым МОП-транзистором. Это позволяло сформировать нормально выключенное гибридное устройство, известное как нитрид-галлиевый транзистор, выполненный по каскодной схеме включения [2, 3] (рис. 1). Нитрид-галлиевые транзисторы типа HEMT на рабочее напряжение 600 В с режимом обогащения канала транзистора носителями заряда (которые, по сути, были бы нормально выключенными приборами), возможно, было сложнее разрабатывать, но теперь они также появляются на рынке.

Рис. 1. Нормально выключенный 600-В GaN-транзистор: каскодный HEMT и HEMT с режимом обогащения канала

Использование режима обогащения канала и каскодное включение — это два различных подхода к обеспечению высокой производительности 600-В нормально разомкнутых нитрид-галлиевых ключей. Хотя между такими приборами и существуют различия (в основном это касается цепи управления затвором и обратной проводимости транзистора), они оба обеспечивают значительно улучшенную производительность по такому параметру, как объемный заряд встроенного антипараллельного диода Q_rr. Кроме того, по сравнению с лучшими кремниевыми полевыми транзисторами с аналогичным рабочим напряжением и сопротивлением в открытом состоянии R_DS(on), они обладают и значительно более низкими значениями заряда Q_oss и Q_g. Основные параметры этих устройств приведены в сравнительной таблице. Эти данные собраны из недавно опубликованных статей, докладов и справочных данных. Они нормированы к уровню типового значения R_DS(on) в 100 мОм при условии, что произведение R×Q принимается за константу. Это не обязательно является репрезентабельным для конкретного устройства, но здесь прослеживаются тенденции в производительности между технологическими платформами различных поставщиков.

Пути повышения эффективности

Как эти параметры перевести в практическую плоскость для получения выигрыша при использовании нитрид-галлиевых транзисторов типа HEMT в ИП? Решение сильно зависит от топологии блока питания, то есть его схемотехнического решения. Рассмотрим, например, традиционный повышающий корректор коэффициента мощности (ККМ). Наиболее распространена однополярная топология (рис. 2), которая широко используется в блоках питания серверов. Здесь полевой транзистор проводит ток только в прямом направлении, и встроенный в него антипараллельный диод не используется. Такое схемотехническое решение работает, в основном, на частотах ниже 100 кГц, где потери, связанные с зарядом затвора, относительно невелики, так что выгода от более низкого значения Q_g является минимальной. Два основных параметра, которые наиболее влияют на эффективность, — R_DS(on), определяющее потери проводимости, и энергия E_oss, рассеиваемая в каждом цикле переключения из-за разряда Q_oss, когда полевой транзистор включается.

Рис. 2. Традиционный повышающий ККМ (в типовом корректоре Q1 — полевой транзистор с супер-переходом, а D5 — карбид-кремниевый диод Шоттки)

Здесь некоторые моменты создают путаницу. Хотя Q_oss нитрид-галлиевых транзисторов типа HEMT значительно ниже, чем у транзисторов по технологии Super Junction, их различия в части E_oss (энергии, запасенной в C_oss) гораздо меньше. Минимальное значение E_oss, доступное для транзисторов с суперпереходом, может быть лучше, чем у каскодных нитрид-галлиевых, но все же максимальное значение этого параметра у них не настолько хорошо, как у нитрид-галлиевых транзисторов с обогащенным каналом. Причина этого парадокса следующая. Часть накопленного заряда в транзисторах по технологии Super Junction инжектируется при низком напряжении (<50 В). А вот выше этого уровня (при напряжении 50–400 В) эффективный заряд ниже, но энергия значительно выше, поскольку:

dE = C(V)/2 × dV² (1)

(отметим, что V² и С являются функцией от напряжения V). В результате, даже при том, что заряд Q_oss при напряжении в 400 В в 5–10 раз ниже для нитрид-галлиевых транзисторов, чем у транзисторов с суперпереходом, разность их энергий оказывается значительно меньше. Лучший Super Junction транзистор превосходит по этому параметру каскодный нитрид-галлиевый в пределах 15% от значения для нитрид-галлиевых транзисторов с обогащенным каналом (таблица). Таким образом, если транзистор работает на тех же уровнях R_DS(on), то ключи на основе нитрида галлия при их использовании в схеме, в которой ранее применялся транзистор с суперпереходом (как в приведенном выше примере реализации ККМ), то общее изменение эффективности будет находиться на уровне погрешности измерения.

Чтобы добиться более высокого КПД, необходимо подробно разобраться в том, как распределяются потери мощности для каждой из топологий. Основной источник потерь в традиционном повышающем преобразователе — мостовой выпрямитель входного напряжения. Причина в том, что в нем всегда, на каждом периоде входного напряжения, имеют место два падения напряжения на двух диодах плеч моста.

Чтобы использовать все преимущества, которые могут предложить нитрид-галлиевые транзисторы, необходимо рассмотреть возможность использовать в повышающей цепи вместо диодного моста выходной двухтактный каскад (рис. 3). В этой топологии нет мостового выпрямителя на входе и, следовательно, нет падений напряжения на диодах (за исключением одного такого падения на внутреннем диоде транзистора на короткое время бестоковой паузы). Низкочастотный полумост справа инвертирует полярность входного напряжения в каждый полупериод, поэтому здесь потери на переключение пренебрежимо малы. Имеют значение только потери проводимости, следовательно, в этой части схемы может быть использован более дешевый транзистор с суперпереходом. Полумост слева работает на высокой частоте (обычно в режиме непрерывных токов в диапазоне частот 50–100 кГц), с одним транзистором, выступающим в качестве повышающего ключа, а другим — в качестве синхронного выпрямителя. Они меняются своими ролями на каждом полупериоде. Кроме исключения всех падений напряжений на диодах, эта топология имеет дополнительное преимущество: она может работать в режимах CCM (Continuous Conduction Mode, режим непрерывных токов), CrCM (Сritical Conduction Mode, режим критической проводимости), DCM (Discontinuous Conduction Mode, режим прерывистых токов) и даже в режиме ZVS (Zero Voltage Switching, отключение при нулевом напряжении), что обеспечивает более высокую рабочую частоту с сохранением высокой эффективности.

Рис. 3. Двухтактная безмостовая повышающая топология (полный мост, без диодов)

Двухтактная безмостовая повышающая схема известна уже в течение многих лет. Но до сих пор, чтобы реализовать ее на практике, не были доступны полевые транзисторы с высокой производительностью (с низким или нулевым объемным зарядом встроенного антипараллельного диода Q_rr). При использовании в этой топологии нитрид-галлиевых транзисторов было достигнуто КПД корректора мощности выше 99% на стандартных рабочих частотах в режиме CCM. Кроме того, не так давно на презентации в CPES (Centre of Power Electronic System, «Центр силовых электронных систем») компании Virginia Tech была продемонстрирована данная топология, но работающая в режиме ZVS в мегагерцовом диапазоне. Она также показала КПД выше 99% на максимальной эффективности [4]. Этот уровень является достаточно впечатляющим и убедительным. Он будет четко указывать, по какому пути должно развиваться следующее поколение ИП с высокой производительностью и высокой плотностью мощности с использованием нитрид-галлиевых транзисторов.

Изолирующая DC/DC часть ИП может использовать нитрид-галлиевые транзисторы аналогичным образом. Но, как и в рассмотренном выше примере относительно ККМ, для получения преимущества недостаточно простой установки нитри-галлиевых транзисторов вместо обычных полевых в рамках существующей схемотехники ИП. Особенно это касается ключей, работающих в жестком режиме коммутации в униполярных топологиях там, где транзисторы по технологии Super Junction уже и без того работают весьма успешно. Здесь имеется в виду обратноходовые преобразователи (Flyback) или двухтранзисторные прямоходовые. Топология, стратегия управления, выбор магнетиков и рабочая частота — все должно быть учтено самым тщательным образом в общей конструкции при ее оптимизации для устройств на базе использования нитрида галлия. Нитрид галлия особенно хорошо подходит для режима мягкой коммутации и резонансных топологий, таких как полу- или полные мосты LLC (LLC — топология, основанная на комбинации двух индуктивностей и одного конденсатора), а также полные мостовые схемы со сдвигом фазы по топологии ZVS. Низкий уровень заряда полупроводниковых приборов на базе нитрида галлия уменьшает циркулирующие токи, необходимые для достижения мягкого переключения, сокращает бестоковую паузу и, следовательно, уменьшает среднеквадратичные токи. При этом снижается мощность драйвера затвора, но, в то же время, обеспечивается эффективная работа на высоких частотах с меньшим числом пассивных компонентов [5].

Заключение

Конструкторы ИП могут извлечь выгоду из применения транзисторов на основе нитрида галлия, используя существующие контроллеры и драйверы для организации LLC-топологий и ZVS-топологий со сдвигом по фазе в виде полного моста, эффективно работающих на частотах, простирающихся за пределы досягаемости с транзисторами по технологии Super Junction. Чтобы расширить линейку продуктов и стимулировать доступность транзисторов на основе нитрида галлия в будущем, следует также обратить внимание и на контроллеры для двухтактных безмостовых ККМ, а также резонансные топологи, работающие на высоких частотах, и топологий с мягким переключением. При условии комбинации этих топологий с новейшими драйверами и нитрид-галлиевыми транзисторами, ИП в самом ближайшем будущем смогут показать высочайшую эффективность и плотности мощности.