Spínané zdroje s účinností vyšší než 96 % díky použití tranzistorů GaN

V dnešní době jsou dostupné velmi rychle spínající tranzistory: Super Junction MOSFET (SJ), MOSFET na bázi karbidu křemíku (SiC) a na bázi nitridu galia (GaN); tyto součástky jsou stále dražší než tradiční tranzistory, ale umožňují konstruovat menší a účinnější napájecí zdroje a DC/DC měniče. V návrhové studii bylo realizováno a změřeno zapojení tranzistorů GaN ve stupni PFC (Power Factor Correction) spínaného zdroje Traco Power. Byly studovány a detailně popsány výhody a nevýhody, stejně jako související technické problémy.

V průběhu uplynulých desetiletí prošel obor výkonové elektroniky dynamickým vývojem. Bylo to v první řadě díky zvyšující se rychlosti polovodičových spínačů, která umožnila použití menších součástek pro uložení elektrické energie, jako jsou kondenzátory a indukčnosti. V kombinaci se zvýšenou účinností tak vznikly podmínky pro realizaci menších zařízení, jako jsou AC/DC zdroje a DC/DC měniče. Polovodičové spínače byly v průběhu uplynulých desetiletí neustále zdokonalovány. Nejnovější polovodičové spínače, tj. Super Junction MOSFET a tranzistory na bázi SiC a GaN dosahují spínacích časů téměř desetkrát kratších, než jsou spínací časy tradičních tranzistorů MOSFET. To vede ke značnému snížení spínacích ztrát, což dále dovoluje přejít na vyšší spínací kmitočty. V důsledku toho a také v důsledku vyšší účinnosti lze realizovat zdroje o menším objemu.

Pravdou ale je, že tyto výhody neplatí pro všechny spínací topologie využívané u zdrojů a DC/DC měničů. Jelikož jsou dostupné účinné a cenově dostupné řídicí IO, používají se v posledních letech nejrůznější rezonanční koncepce, pro něž je charakteristické, že v okamžicích sepnutí a rozepnutí jsou napětí a proud na spínacím prvku již nulové, a tak je zabráněno vzniku energetických ztrát (ZVS nebo ZCS: „Zero Voltage Switching“ nebo „Zero Current Switching“). Protože tyto spínací koncepce, které obecně obsahují pravé rezonanční měniče, ve svém principu neprodukují žádné ztráty, nelze žádné další snížení spínacích ztrát při použití rychlejších spínacích prvků očekávat. Například obr. 1 ukazuje obecné zapojení typického průmyslového zdroje Traco Power s měničem PFC na vstupu a rezonančním měničem na výstupu. Veškerá elektrická energie protéká prvky označenými L a C a hodnoty kapacity a indukčnosti v podstatě určují spínací kmitočet měniče na základě rezonančního kmitočtu.

Obr. 1  Typické obecné zapojení spínaného zdroje Traco se zvyšujícím měničem na vstupu pro generování sinusového vstupního proudu a rezonančním měničem pro potenciálové oddělení a stabilizaci napětí

Vstup zdroje je vybaven zvyšujícím DC/DC měničem (měničem PFC), jenž vnucuje kvazi-sinusový vstupní proud pro kompenzaci účiníku. Následující rezonanční měnič slouží k nastavení úrovně napětí, přičemž zajišťuje galvanické oddělení síťového napětí a stabilizuje výstup vůči jeho změnám a změnám zátěže. Vzhledem k tomu, že rezonančně nebo semi-rezonančně spínající měnič PFC je velice propracovaný a je realizovatelný vysoce komplexním způsobem, použití nově dostupných velice rychlých tranzistorů na místě aktivních vysokofrekvenčních spínačů nabízí schůdnou variantu pro tento zvyšující měnič.

Aby bylo možné významným způsobem zvýšit účinnost spínaného zdroje s těmito rychlými spínacími součástkami cestou nižších spínacích ztrát, je nutné rovněž snížit ztráty diod a usměrňovačů ve vodivém stavu. V tomto ohledu se pro zvyšující měnič doporučuje tzv. „totemová“ topologie. Ta umožňuje zredukovat tradičně používané síťové usměrňovače s relativně vysokými ztrátami ve vodivém stavu ze čtyř na dvě diody. Odpovídající podrobnosti jsou vidět na obr. 2. Tento obvod byl navržen a vyzkoušen s tranzistory GaN.

Obr. 2 „Totemový“ obvod pro kompenzaci účiníku vstupního proudu

Proč použít GaN?

Tranzistory Super Junction MOSFET spínají velice rychle, dají se snadno nahradit, jsou levné a snadno dostupné. Nevýhodami jsou relativně vysoký řídicí výkon při vysokých spínacích kmitočtech, vysoké spínací ztráty, stejně jako dlouhý čas zotavení vnitřní diody. Tranzistory MOSFET na bázi karbidu křemíku (SiC) jsou rychlejší než SJ MOSFET, jsou dobře přizpůsobeny vysokým závěrným napětím, jsou odolné v lavinové oblasti a dosahují velmi krátkých časů zotavení vnitřní diody. Řízení těchto tranzistorů je ovšem poněkud složitější vzhledem k požadavku záporného předpětí řídicí elektrody. Tranzistory na bázi nitridu galia (GaN) jsou běžně dostupné ve dvou různých variantách: samovodivých a samozávěrných. V závislosti na typu a výrobci tato skutečnost vede k různým požadavkům z hlediska ovládání řídicí elektrody těchto součástek. Výhodou tranzistorů GaN je ale až desetkrát kratší spínací čas a vypuštění vnitřní diody. Za určitých okolností může tato výhoda ospravedlnit zvýšené náklady na řízení a správu těchto součástek. Pro využití všech výhod tranzistorů GaN je třeba složitějšího řídicího obvodu pro ovládání řídicí elektrody, který je často již integrován na čipu. Nevýhodou je, že součástky od různých výrobců již nejsou kompatibilní a nelze je snadno vzájemně zaměnit.

Rychle spínající zvyšující měnič (měnič PFC) s tranzistory GaN

Zvyšující měnič na obr. 3 je navržen jako „totemový obvod“. Výstupní napětí je vždy vyšší než napětí vstupní. V závislosti na polaritě vstupního napětí dva tranzistory střídavě pracují jako aktivní spínače nebo jako flyback dioda proudu tlumivky. Tyto tranzistory jsou střídavě řízeny se střídou „D“ a „(1-D)“. Při použití velmi rychlých tranzistorů GaN pro oba spínače může stupeň pracovat s nepřetržitým proudem tlumivky. To znamená, že proud tlumivkou nemusí být nulový při sepnutí nebo rozepnutí spínače, jelikož vzniknou jen velice malé ztráty. Z tohoto důvodu může shromažďovací tlumivka pracovat s výrazně nižším vysokofrekvenčním střídavým proudem. Vzhledem k tomu, že z hlediska technologie řízení je proud tekoucí tlumivkou a usměrňovacími diodami řízen správně, pro další snížení výkonových ztrát lze také usměrňovací diody nahradit tranzistory SJ MOSFET, které mají velice nízký odpor v sepnutém stavu. Výsledkem je další snížení celkových výkonových ztrát a tím také zvýšená účinnost.

Obr. 3  „Totemový“ vstupní měnič se vstupním a výstupním filtrem bránícím vzniku vysokofrekvenčního rušení

Protože tranzistory GaN mají spínací časy jen několik nanosekund, parazitní indukčnosti a kapacity dávají vzniknout kmitům o vysokých kmitočtech, což má za následek značnou úroveň rušení na vstupu a výstupu negativně ovlivňující měření. Proto byly použity filtry na obr. 3. Změřené spínací signály, v každém případě měřené mezi vývody drain a source tranzistorů GaN, jsou vidět na obr. 4; související měřicí uspořádání je na obr. 5. Při použití tranzistorů GaN se ukázalo nezbytným připojit paralelně k nim diody SiC (D3 a D4), aby nevznikaly kmity v mrtvých časech (GaN vede v opačném směru, gate „off“). Měření chování napětí drain-source tranzistoru GaN s připojenou vnější diodou i bez ní je vidět na obr. 4. Proces sepnutí trvá méně než 7 ns, což je přibližně desetkrát méně, než je tomu u standardních tranzistorů MOSFET. Následkem toho dochází rovněž ke snížení ztrát pří spínání a rozpínání ve stejném poměru ve srovnání s tradičními spínači MOSFET.

Obr. 4  Chování tranzistoru GaN v měniči PFC s (a) a bez (b) vnějších paralelních diod SiC pro potlačení přechodových efektů

Obvod zobrazený výše je určen pro výstupní výkon 1 000 W; dva spínací tranzistory jsou typy GaN 80 mΩ. Řízení a regulace jsou analogové s diskrétními součástkami, takže všechny provozní parametry lze ovlivňovat a nastavovat. Kmity po rozepnutí, které jsou vidět na obr. 4b), způsobují vysokofrekvenční obtížně filtrovatelné rušení, jehož odfiltrování by vyžadovalo značného úsilí, a proto je třeba zabránit vzniku těchto kmitů.

Obr. 5  Měřicí uspořádání

Nižší indukčnosti při použití tranzistorů GaN

Ztráty a velikost indukčnosti mají zásadní vliv na účinnost zvyšujícího měniče (měnič PFC). Energie uložená v indukčnosti je v kvadratickém poměru k amplitudě proudu v průběhu sepnutí a rozepnutí; současně ohmické ztráty se zvyšují se čtvercem proudu. Na druhé straně ztráty hysterezí v indukčnosti závisí na objemu magnetického jádra, střídavé složce proudu, a tím také na době trvání změny magnetické indukce a spínacím kmitočtu. Hodnocená testovací konstrukce pracovala na spínacím kmitočtu 100 kHz. Změřené průběhy proudu tlumivkou při vstupních napětích 110 Vstř a 230 Vstř jsou vidět na obr. 6. Protože velikost zvlnění proudu závisí na rozdílu mezi vstupním napětím a napětím zvýšeném měničem, nižší vstupní napětí (obr. 6a) vede k vyšší hodnotě zvlnění proudu ve srovnání s provozem při vyšším vstupním napětí (obr. 6b). Tepelné ztráty v magnetickém materiálu indukčnosti jsou mnohem vyšší při nízkém vstupním napětí a musí být tudíž vzaty v úvahu v nepříznivé provozní situaci.

Obr. 6  Měření proudu indukčností zvyšujícího měniče (měnič PFC) při:

a) napájecím síťovém napětí 110 V_stř

b) napájecím síťovém napětí 230 V_stř

Jelikož ztráty v jádru klesají s klesající mírou zvlnění proudu indukčností, měnič PFC s tranzistory GaN poskytuje možnost využití pro indukčnost magnetických materiálů s velmi vysokou hodnotou magnetické indukce při nasycení navzdory relativně vysokým ztrátám hysterezí. To umožňuje použít vyšší spínací kmitočty několik set kHz při nízkých spínacích ztrátách, což dovoluje dále zmenšit mechanické rozměry indukčnosti.

Zvýšené rušení vlivem rychlejšího spínání

Obzvláště krátké spínací procesy u tranzistorů GaN mají za následek vznik proudů a napětí obdélníkového průběhu, které vlivem svých velmi strmých náběžných a sestupných hran produkují vysokofrekvenční rušivá napětí a proudy. Tyto rušivé produkty jsou nežádoucí a musí být řádně odfiltrovány, aby nedocházelo k přenosu elektromagnetického rušení ze spínaného zdroje do jeho okolí prostřednictvím připojovacích vodičů a vyzařováním. Nejobtížnější je filtrace rušení v souhlasném módu; odpovídající změřené údaje jsou na obr. 7.

Obr.  7 Rušicí proud v souhlasném módu (zelená) a rušicí napětí v souhlasném módu (červená) v měniči PFC při plné zátěži 1000 W a síťovém napětí 230 Vstř

Z detailního pohledu je zřejmé, že napětí v souhlasném módu na 100 Hz rychle mění svoji polaritu; vysokofrekvenční složka je způsobená energetickým zotavením diody zvyšujícího měniče. Při tomto procesu proud nemůže najít cestu diodami D1 a D2 a z toho důvodu teče zpět do sítě přes kondenzátor „Y“ jako proud v souhlasném módu. Tento proud lze značně snížit využitím inteligentního řízení aktivní diody zvyšujícího měniče a náhradou pasivních usměrňovacích diod za tranzistory MOSFET.

Zvýšená účinnost a menší rozměry konstrukce s tranzistory GaN

Účinnost měniče PFC obecně závisí na vodivosti, spínacích ztrátách a také ohmických ztrátách a ztrátách magnetizací. Byla změřena hodnota celkových ztrát a spočteny individuální ztráty jednotlivě; tyto jsou vidět na obr. 8.

Obr.  8 Rozdělení celkových ztrát na dílčí ztrátové složky v závislosti na síťovém napájecím napětí

Vlivem vyšších hodnot proudu při nižším napájecím napětí a vyšších ztrátách v magnetickém materiálu indukčnosti je účinnost silně závislá na síťovém vstupním napětí. Tato závislost je ještě jednou shrnuta na obr. 9.

Obr.  9 Celková účinnost „totemového“ zapojení měniče PFC s tranzistory GaN (modrá) v závislosti na síťovém vstupním napětí ve srovnání se zapojením měniče PFC v „hraničním módu s prokládáním“ s tranzistorem SJ MOSFET (oranžová).

Shrnutí

Závěrem lze uvést, že použití tranzistorů GaN s vhodnou obvodovou konstrukcí v měničích PFC může přinést zvláště vysokou účinnost více než 99 %; nicméně odpor v sepnutém stavu cenově přijatelných tranzistorů GaN na nízká síťová napětí zůstává samozřejmě příliš vysoký a na místě síťových usměrňovacích diod musí být použity spínací tranzistory MOSFET. To přináší účinnost, která je o 3 až 5 % vyšší, než je účinnost měniče PFC s běžnými tranzistory MOSFET s můstkovým usměrňovačem. Při kombinovaném použití měniče PFC a rezonančního měniče ve spínaném napájecím zdroji lze dosáhnout celkové účinnosti vyšší než 96 %.

Aplikace tranzistorů GaN ve spínaných napájecích zdrojích otevírá nové možnosti, pokud jde o spínací kmitočet, účinnost a objem konstrukce. Předpokladem k jejich rentabilnímu využití ve spínaných zdrojích a DC/DC měničích o výstupním výkonu do 1 000 W je další snížení ceny těchto součástek.