Tehojärjestelmissä puhutaan nyt uusista laajan kaistaeron materiaaleista. Mutta mitä GaN- tai SiC-komponenttien käyttäminen edellyttää ja mihin sillä voidaan päästä? Future Electronicsin tekemä vertailu kertoo paljon.

Perinteinen piipohjainen teho-MOSFET on helposti saatavilla oleva edullinen komponentti, joka on varmasti jatkossakin tehokytkinten perusta vuosien ajan. Suurjännitemuuntimissa sen rajoitukset ovat kuitenkin ilmeisiä. Kytkentähäviöt ovat suuret, mikä johtuu pii-MOSFETin rakenteen ominaisuuksista.

Tämän ongelman ratkaisemiseksi sekä tehokkuuden ja kytkennän parantamiseksi tehojärjestelmien suunnittelijat ovat ottaneet käyttöön useita topologioita, joissa kytkentä onnistuu nollajännitteellä ja/tai nollavirralla. Nämä topologiat ovat kuitenkin monimutkaisia ja edellyttävät monimutkaisten ohjausjärjestelmien käyttöä ja suurta määrää komponentteja.

Kuva 1. GaN HEMT -pohjainen half-bridge -kortti Panasonicin GaN-kytkimillä.

Uuden sukupolven virtakytkimet, jotka on valmistettu laajan kaistaeron galliumnitridi- tai piikarbidimateriaaleista, ovat antaneet suunnittelijoille mahdollisuuden harkita uusien virtatopologioiden käyttöä, jotka ovat yksinkertaisempia toteuttaa ja käyttävät vähemmän komponentteja. Silti niillä saavutetaan huomattavasti parempi tehokkuus. Tämä johtuu siitä, että sekä GaN- että SiC-virtakytkimillä on luonnostaan pienemmät häviöt kytkettäessä suoraan suurjännitteestä.

Sillaton toteeminapainen PFC-topologia (Power Factor Correction) herättää erityistä kiinnostusta suuritehoisissa järjestelmissä. PFC-konfiguraatiossa yksi aktiivisilla kytkimillä varustettu puolisilta (half-bridge) joko korkean liikkuvuuden eli HEMT-GaN-transistoreilla (High Electron Mobility Transistors) tai SiC-MOSFETeilla tukee kytkentää minimaalisilla häviöillä.

Tämä kuulostaa hyvältä, mutta tosielämän toteutukset osoittavat, että laitteen kotelo, ohjaimen valinta ja piirilevyn asettelu vaikuttavat merkittävästi laajan kaistaeron piirien suorituskykyyn kytkettäessä suurella jännitteellä. Future Electronicsin tehojärjestelmien suunnittelutiimi yhtiön Eghamin osaamiskeskuksessa on testannut ja vertaillut erilaisia half-bridge -kokoonpanoja käyttämällä sekä GaN HEMT- että SiC MOSFET -piirejä sillattomassa toteeminapaisessa PFC-topologiassa. Tässä artikkelissa esitellään vertailun tuloksia ja ehdotetaan parhaita ratkaisuja laajan kaistaeron tehokomponenttien käyttämisestä suuren jännitteen kytkentäjärjestelmiin.

GaNdalf-EVALUOINTIALUSTA

Eri komponenttien arviointi tehtiin GaNdalf-alustalla, joka on modulaarinen sillattomalla PCF-piirillä toteutettu kehityskortti. Se tuottaa 400 voltin DC-lähdön verkkovirrasta. GaNdalf-kortissa on laajennusliitäntä, joka mahdollistaa useiden puolisiltakorttien helpon vertaamisen. Nämä voivat olla joko GaN HEMT- tai SiC MOSFET -kortteja eristetyillä ajureilla ja DC-DC-virtalähteillä.

Vertailukohdaksi eri kytkinkokoonpanoille oli puolisiltakortti, jossa käytettiin Panasonicin PGA26E06BA GaN -kytkimiä nopeiden opto-kytkimien eristämänä ja Panasonicin nopeita GaN-ohjaimia (AN34092B) (kuva 1). Tämä järjestelmä saavutti 99 prosentin hyötysuhteen syötettäessä jopa 1 kilowatin kuormia.

Uusien puolisiltakorttien käyttöönotto antoi osaamiskeskuksen suunnittelijoille mahdollisuuden tavoitella suurempia tehoja ja parempaa lämpösuorituskykyä, ja samalla pienentää ajuripiiristön kustannuksia.

Futuren kehittäjät pääsivät myös arvioimaan 600-700 volttiin mitoitettujen SiC MOSFET -piirien etuja 3- tai 4-nastaisissa TO-247-koteloissa. jotka mahdollistivat parempia vaihtoehtoja lämmön poisjohtamiseen.

GaN: LÄMMÖNHALLINTA MIETITYTTÄÄ

Ensimmäiset GaN-pohjaiset puolisiltakortit ovat Infineonilta, Panasonicilta ja Exaganilta. Niiden vastusarvot vaihtelevat välillä 30-190 milliohmia (mΩ). Laitteet toimitetaan pohjapuolelta jäähdytetyissä pintaliitettävissä koteloissa, joissa on 60-80 neliömillimetrin lämpötyynyt.

Piirilevyn rakenne on esitetty kuvassa 2. Jäähdytyselementti (4°C/W) on kytketty puolisiltakorttien kääntöpuolelle ja kytketty sähköisesti PFC-vaiheen ulostulopotentiaaliin. Lämpökosketuspinta jäähdytyselementistä lämpöeristystyynyn ja PCB-pohjakerroksen välillä oli tyypillisesti 300 neliömillimetriä.

Kuva 2. Ylhäältä jäähdytetty GaN HEMT -kokoonpano.

GaN HEMT -piirit tuottavat nopean kytkentänsä takia merkittävästi kohinaa, ja niiden dV/dt-arvo on usein yli 100 V/ns. Suunnittelijan on rajoitettava kohinaa minimoimalla kapasitiivinen kytkentää puolisillan nopeasti kytkevän solmun ja muiden solmujen välillä (ja sen jälkeen maapotentiaaliin). Tämä on kuitenkin ristiriidassa optimaalisen lämmönhallinnan saavuttamisen kanssa, koska GaN HEMT:n lämpöreitti on puolisillan nopea kytkentäsolmu. Vaikka kapasitiivista kytkentää piirilevyn yli voidaan hallita, jotkut kapasitiiviset kytkennät jäähdytyselementtiin ovat väistämättömiä.

GaN-kytkinjärjestelyn sähköisten ja termisten näkökohtien välinen ristiriita vaikutti näiden puolisilta-korttien toimintaan. Korkea kohinataso esti kortin oikean toiminnan, vaikka käytetyt porttiajurit mahdollistivat transienttien immuniteetille yli 100 V/ns arvot.

Futuren kehittäjien oletuksena oli, että ongelman syy oli kapasitiivinen kytkentä jäähdytysele-menttiin. Sen arvoksi laskettiin noin 20 pikofaradia. Jäähdytys-elementin kosketusalueen pienentäminen 300 neliömillimetristä 100 neliömillimetriin pienensi kapasitiivisen kytkennän alle 10 pikofaradiin ja paransi siten kohina-arvoa niin, että kortin toiminta saatiin riittävän hyväksi. Nopeasti kytkevän solmun kosketusalueen pienentäminen kuitenkin väistämättä heikentää lämmön johtumista ja vähentää kuormaa, jota pohjapuolelta jäähdytettyihin GaN-piireihin perustuva järjestelmä voi syöttää ilman tuuletinjäähdytystä.

PÄÄLTÄ JÄÄHDYTTÄMINEN PARANTAA SUORITUSKYKYÄ

Yläpuolelta jäähdytetyn kotelon käyttö poistaa edellä kuvatun ongelman: nyt sähkö- ja lämpöreitit voidaan erottaa.

Ero suorituskyvyssä käytettäessä samaa puolisiltakorttimallia yläpuolelta jäähdytettyjen 70 milliohmin GaN-kytkimien kanssa on huomattava. Ratkaisu toimi erittäin hyvin ilman kohinaongelmia. 99 prosentin hyötysuhteen saavuttava kortti, jossa on ylhäällä asennettu 4°C/W-jäähdytyselementti eikä pakotettua tuuletusta, säilytti kotelon lämpötilan noin 80 asteessa 25-asteisessa tilassa, kun siitä syötettiin 2 kilowatin lähtöä 220 voltin AC-tulosta.

Futuren kehittäjien kokemus GaNdalf-alustasta osoittaa, että GaN-kytkimiin perustuvissa sillattomissa toteeminapaisissa PFC-piireissä, jotka toimivat yli 1 kilowatin tehotasoilla, suositellaan yläpuolelta jäähdytettyjä koteloita, jos järjestelmää on tarkoitus ajaa ilman pakotettua tuuletusta.

SiC MOSFET: ONGELMIA TO-247-KOTELOISSA

GaNdalf-kehitysalustan modulaarisen rakenteen etuna on, että se helpottaa GaN- ja SiC-laitteiden suoraa vertailua. Eghamin tiimi odotti, että SiC MOSFET -tekniikoihin perustuvat puolisilta-kortit tarjoavat hieman alhaisemman tehokkuuden kuin GaN-pohjaiset järjestelmät. Tämä johtuu siitä, että SiC MOSFET -laitteet, joilla on hitaampi dV/dt ja käänteisen palautumisen häviöt suuremmat, tuottavat suurempia kytkentähäviöitä.

GaN HEMT -laitteisiin verrattuna SiC MOSFET -laitteita on saatavana enemmän ja useammilta valmistajilta, esimerkiksi Microchipiltä, ON Semiconductorilta, STMicroelectronicsilta, Infineonilta ja ROHM Semiconductorilta. Lisäksi 600-700 voltin SiC MOSFET -laitteiden hinnat laskevat nopeasti. Kaikissa uusissa sillatonta toteeminastaista PFC-topologiaa käyttävissä projekteissa saattaa siksi joutua arvioimaan SiC MOSFET -toteutusta.

SiC MOSFET -laitteita toimitetaan sekä 3- että 4-johtimisissa TO-247-koteloissa, mutta tässä tutkimuksessa keskityttiin 4-johtimiseen TO-247-koteloon, joka sisältää lisäksi niin sanotun Kelvin-liitännän. Kehittäjien arviointi paljasti jonkin verran suorituskyvyn vaihtelua sekä toiminnassa että kohinassa eri piirien välillä.

Jotkut piirit toimivat hyvin ja tuottivat lähes 99 prosentin PFC-hyötysuhteen hyvällä kytkennän suorituskyvyllä. Toiset tuottivat alkuun suhteellisen heikkoja kytkentäaaltomuotoja ja gene-roivat sen verran kohinaa, että se vaikutti suorituskykyyn. Yhdessä tapauksessa kohinan vaikutus suorituskykyyn oli pieni.

Testitulokset kertoivat hyvästä hyötysuhteesta, mutta kotelon lämpötila nousi 10 °C korkeammalle kuin vastaavissa laitteissa havaittu. Harmoninen kokonaissärö (THD) oli myös jopa 8 prosenttia suurempi. Lokidatan yksityiskohtainen analyysi osoitti, että tulovirran aaltomuoto oli vääristynyt: tulovirran AC-virta-jakson negatiivinen puoli oli hieman litistynyt.

Laitetoimittajien kanssa tehdyssä perusteellisessa tutkimuksessa tunnistettiin ilmiön perimmäinen syy: joidenkin SiC MOSFET -laitteiden portti-nielu-kapasitanssi (C_gd) voi olla suhteellisen suuri. Yhdistettynä matalaan kynnysjännitteeseen tämä ominaisuus voi altistaa MOSFETin ns. Millerin käynnistysvaikutuksille. Lisäksi sisäisistä kapasitansseista johtuva jännitteen kytkentä voi johtaa huonoon kytkentäaaltomuotoon ja ei-toivottuihin ristiinjohtumisen vaikutuksiin.

Onneksi tähän on lääke. Future Electronicsin suositus on tarkistaa SiC MOSFETin C_gd-luokitus ja hila-lähde-kapasi-tanssin (C_gs) suhde Cgd:een datalehdistä. Jos Cgd on suhteellisen suuri, saattaa kannattaa valita porttiohjain Miller-taso-lukitus-toiminnolla. Tähän esimerkiksi STMicroelectronicsin STGAP2SCM on sopiva tuote. Jos C_gs:n ja C_gd:n suhde on alhainen, on suositeltavaa lisätä C_gs:tä käyttämällä ulkoista kondensaattoria.

Eghamin osaamiskeskuksen GaNdalf-alustaan perustuvassa arvioinnissa (Millerin) tasolukitus-toimintoa käyttävä ohjain yhdistettynä C_gs-lisäkapasitanssiin paransi kytkentätehoa ja järjestelmän kokonaistoimintaa, mikä johti huomattavasti parantuneeseen hyötysuhteeseen, parempaan harmoniseen kokonaissäröön ja myös parempiin kytkentäaaltomuotoihin.

TUTKIMUS TUKEE SUOSITUKSIA

GaNdalf-alusta tarjoaa ihanteellisen perustan tutkia yksityiskohtaisesti sekä GaN- että SiC-laitteiden toimintaa suurella jännitteellä kytkettäessä. Future Electronicsin osaamiskeskuksen tutkijoiden toteuttama vertaileva tutkimus paljasti joitain tärkeitä käytännön tuloksia, joita tehojärjestelmien suunnittelijat voivat hyödyntää.

Erityisen selvää on, että pintaliitettävät kotelot, joissa on yläpuolinen jäähdytys, tarjoavat parhaat kokonaistulokset käytettäessä GaN HEMT -piirejä, joissa tehotasot ylittävät 1 kilowatin ja joissa ei haluta käyttää tuulettimen jäähdytystä.

GaNdalf-piirilevy osoitti myös, että piikarbidilaitteet ylletään hyötysuhteessa hyvin lähelle GaN HEMT -laitteiden lukemia, tehoa pienemmiksi, kun taas piikarbidipohjaiset MOSFETit ovat hinnaltaan houkuttelevia ja laajalti saatavissa.

Jotkut 4-johtimisissa TO-247-koteloissa olevat SiC MOSFET -piirit voivat kärsiä kohinaongelmista ja olla alttiita Miller-vaikutukselle, jossa C_gd on suhteellisen suuri. Monissa tapauksissa nämä ongelmat voidaan ratkaista käyttämällä ohjainta, jolla on aktiivinen tasolukitustoiminto, ja ulkoista C_gs-kapasitanssia kytkentäaaltomuotojen parantamiseksi.

Future Electronicsin David Woodcockin kirjoittama artikkeli löytyy uudesta ETNdigi-lehdestä. Sitä pääset lukemaan täällä.