В конце 2015 года компания Transphorm начала производство второго поколения нитрид-галлиевых транзисторов с рабочим напряжением 650 В. Эти силовые ключи выполнены по каскодной схеме. Такая конфигурация позволяет сохранять высокие значения выходной мощности и минимизировать потери на восстановление обратного диода. Преимущества транзисторов от Transphorm были неоднократно доказаны на практике. В данной статье рассказывается о демонстрационном полумостовом преобразователе TDPS3500E0E10 мощностью 3.5 кВт и рабочей частотой до 100 кГц.
 |
|
| Рис. 1. | GaN-ключи от Transphorm доказали свою эффективность в реальных приложениях. |
Исторически главный недостаток нитрид-галлиевых транзисторов заключался в сложности создания нормально закрытых ключей. В начале 2000-х сразу несколько производителей смогли решить данную проблему, в том числе и компания Transphorm.
Инженеры Transphorm предложили использовать каскодную схему. При этом в одном корпусе располагается пара силовых ключей: кремниевый низковольтный и нитрид-галлиевый высоковольтный (Рис. 2). Кремниевый MOSFET является нормально закрытым транзистором, а GaN-транзистор остается нормально открытым элементом. При этом, с точки зрения пользователя, схема работает как обычный N-канальный MOSFET.
 |
|
| Рис. 2. | Структура высоковольтных GaN-ключей от Transphorm. |
Если при приложении прямого напряжения (UСИ > 0) кремниевый MOSFET закрыт, то весь ключевой элемент оказывается закрытым и не пропускает ток. Если при этом напряжение Uси оказывается больше порогового напряжения GaN-транзистора (единицы вольт), то он закрывается. В итоге все напряжение прикладывается именно к GaN, а не к кремниевому ключу. Если же кремниевый MOSFET открывается, то вся структура в целом начинает пропускать ток. При этом потери проводимости включают потери на обоих транзисторах. Казалось бы, это должно сделать такую систему бесперспективной, однако ее сила проявляется при работе в импульсных схемах и в схемах с жесткими переключениями.
Так как встроенный MOSFET работает при малых напряжениях и малых уровнях насыщения, то после выключения время на рассасывание его неосновных носителей оказывается минимальным. При этом GaN-транзистор вообще свободен от эффекта накопления неосновных носителей и практически не требует времени на восстановление. Инженеры Transphorm провели сравнение классического CoolMOS MOSFET и своего GaN-транзистора (Рис. 3). При нагрузке 9 А и 400 В амплитуда выброса тока при выключении у GaN оказалась меньше в три раза, а длительность обратного импульса сократилась с 160 нс до 20 нс.
 |
|
| Рис. 3. | Сравнение осциллограмм выключения CoolMOS и GaN-ключа от Transphorm. |
Первые образцы транзисторов Transphorm, выпущенные в 2009 году, имели рейтинг напряжений 600 В. В конце 2015 года было начато производство второго поколения транзисторов с повышенным рабочим напряжением 650 В. Сейчас номенклатура Transphorm включает полтора десятка GaN-транзисторов:
- с рабочими напряжениями 600 и 650 В;
- с максимальными сопротивлениями канала до: 350 мОм, 180 мОм, 130 мОм, 85 мОм, 63 мОм и 41 мОм;
- с различными корпусными исполнениями: TO-220 (Общий вывод сток), TO-220 (Общий вывод исток), TO-247 (Общий вывод исток), PQFN88 (Общий вывод сток), PQFN88 (Общий вывод исток).
Чтобы продемонстрировать преимущества своих транзисторов, специалисты Transphorm создали целый ряд образцовых импульсных преобразователей. Один из них – полумостовой преобразователь TDPS3500E0E10, который имеет мощность 3.5 кВт и работает на частотах до 100 кГц (Рис. 4). Он представляет собой законченный модуль на базе четырехслойной печатной платы. Благодаря наличию дополнительных перемычек TDPS3500E0E10 может быть легко преобразован к схеме понижающего или повышающего регулятора.
 |
|
| Рис. 4. | Внешний вид оценочной платы полумостового 3.5 кВт преобразователя TDPS3500E0E10 от Transphorm. |
Структурная схема TDPS3500E0E10 достаточно проста (Рис. 5). Она включает полумост, построенный на базе 650 В транзисторов TPH3205WS (TPH3205WSB), гальванически изолированный драйвер SI8230BB-B-IS1, логику генератора управляющих импульсов, мощную индуктивность 330 мкГн, высоковольтные конденсаторы и силовые клеммы. Для работы используемых микросхем, логики и драйвера требуется внешний источник питания 10…18 В.
 |
|
| Рис. 5. | Структура 3.5 кВт преобразователя TDPS3500E0E10. |
Основой схемы является полумост из двух транзисторов TPH3205WS (TPH3205WSB) от Transphorm (Рис. 6). TPH3205WSB – 650 В транзисторы с импульсным током до 150 А и сопротивлением в открытом состоянии 63 мОм. Данный ключ отличается малыми потерями при выключениях: заряд восстановления диода составляет 136 нКл.
 |
|
| Рис. 6. | Внешний вид и структура GaN-транзистора TPH3205WSB от Transphorm. |
Пороговое напряжение для транзисторов TPH3205WSB составляет 2.1 В. Для управления их затворами применяется микросхема SI8230BB-B-IS1 от SiliconLabs. В ее состав входит пара независимых гальванически развязанных драйверов нижнего и верхнего плеча, логика и схема контроля мертвого времени (Рис. 7).
 |
|
| Рис. 7. | Структура используемого изолированного драйвера SI8230BB-B-IS1 от SiliconLabs. |
Благодаря наличию силовых клемм J2, J3, J5 и J7 схема TDPS3500E0E10 может быть приведена к топологии повышающего или понижающего регулятора. Например, если к клеммам J2 и J3 подключить высоковольтную силовую шину постоянного напряжения до 400 В, а к клеммам J5 и J7 подсоединить нагрузку, то получится полноценный понижающий регулятор (Рис. 8).
 |
|
| Рис. 8. | Схема понижающего преобразователя на базе TDPS3500E0E10. |
Для получения повышающей схемы необходимо использовать обратное подключение (Рис. 9). К клеммам J5 и J7 подключается шина питания, а к J2 и J3 нагрузка.
 |
|
| Рис. 9. | Схема повышающего преобразователя на базе TDPS3500E0E10. |
Так как плата преобразователя содержит полноценный транзисторный полумост, то возможно создание как синхронных, так и асинхронных регуляторов. Тип регулятора зависит от подключения внешних источников тактовых импульсов и состояния перемычек JP1 и JP2. Благодаря перемычкам и собственному встроенному генератору, синхронное приложение можно создать, имея всего один входной тактовый сигнал логического диапазона (Рис. 10). Нужно иметь в виду, что при подключении внешних генераторов напрямую к драйверу следует использовать логические сигналы 3 В. При работе со встроенным генератором импульсов входные сигналы должны иметь диапазон 5 В.
 |
|
| Рис. 10. | Использование одного внешнего генератора для управления синхронным преобразователем. |
При проведении испытаний преобразователь TDPS3500E0E10 продемонстрировал достаточно высокие показатели. В схеме повышающего регулятора при UВХ = 200 В, UВЫХ = 400 В, частоте 50 кГц и 100 кГц величина КПД превышала 98 % в диапазоне мощностей 500…3500 Вт. В диапазоне 1250…2900 Вт КПД и вовсе не опускался ниже 98.8%.
 |
|
| Рис. 11. | Результаты испытаний UВХ = 200 В, UВЫХ = 400 В, при частотах 50 кГц и 100 кГц. |
3.5 кВт регулятор TDPS3500E0E10 - не единственный демонстрационный преобразователь от Transphorm. К услугам разработчиков предлагаются более десяти образцовых импульсных устройств:
TDPS2400E2C1-KIT– корректор коэффициента мощности 2.4 кВт 100 кГц, выполненный по бездиодной схеме (totem-pole PFC) на базе транзисторов TPH3205WS;
TDPS2800E2C1-KIT– корректор коэффициента мощности 2.8 кВт 100 кГц, выполненный по бездиодной схеме (totem-pole PFC) на базе транзисторов TPH3205WS;
TDTTP4000W066-KIT – корректор коэффициента мощности 4 кВт 66 кГц, выполненный по бездиодной схеме (totem-pole PFC) на базе транзисторов TPH3207WS;
TDPS500E2A2-KIT– корректор коэффициента мощности 1 кВт 133 кГц, выполненный на базе транзисторов TPH3206PS;
TDPS251E0D2-KIT– резонансный DC/DC-преобразователь 250 Вт 200 кГц, выполненный на базе транзисторов TPH3202PS;
TDPS501E0A-KIT– дополнительная плата для приложений до 1000 Вт 100 кГц с установленным ключом TPH3202PS, драйвером и другими силовыми компонентами;
TDPS250E2D2-KIT– стандартный источник питания для ПК 250 Вт 250 кГц, выполненный на базе транзисторов TPH3202PS;
TDPS1000E0E10-KIT– полумостовой инвертор для различных 1 кВт приложений, выполненный на базе транзисторов TPH3206PS;
TDPS3500E0E10-KIT– полумостовой инвертор для различных 3.5 кВт приложений, выполненный на базе транзисторов TPH3205WS;
TDMC2000E0I-KIT – трехфазный мост для управления электродвигателями 2 кВт, выполненный на базе силового модуля TPD3215M;
TDPV1000E0C1-KIT – однофазный инвертор для различных 1 кВт приложений, выполненный на базе транзисторов TPH3206PS;
TDPV3000E0C1-KIT – однофазный инвертор для различных 3 кВт приложений, выполненный на базе транзисторов TPH3205WS;
TDINV4500W050-KIT – однофазный инвертор для различных 4.5 кВт приложений, выполненный на базе транзисторов TPH3207WS.
Характеристики транзистора TPH3205WSB:
- рабочее напряжение: 650 В;
- сопротивление в открытом состоянии (максимальное): 63 мОм;
- прямой постоянный ток (25 °С): 34.7 А;
- импульсный ток: 150 А;
- пороговое напряжение: 2.1 В;
- допустимый диапазон напряжений затвор-исток: ±18 В;
- заряд восстановления диода: 136 нКл;
- диапазон рабочих температур: –55…150 °C;
- корпусное исполнение: TO-247 3L.
О компании
Transphorm – производитель высоковольтных нитрид-галлиевых транзисторов и модулей для мощных источников питания. Компания была основана в 2007 году, а уже в 2009 году была создана первая модель 600-вольтного GaN-транзистора. В 2015 году было начато производство второго поколения силовых транзисторов.
Посмотреть подробнее характеристики сборок EGAN транзисторов от Transphorm
