Voedingen met hoge energiedichtheid bouwen met geïntegreerde eGaN-vermogenstrappen

Schakelende voedingen (switch-mode power supplies - SMPS) met hoge energiedichtheid kunnen het opladen van batterijen versnellen, de grootte van op zonne-energie werkende micro-inverters beperken en aan de stroombehoeften van serverparken voldoen, dit alles zonder overmatige hitte te produceren. De prestatielimieten van de silicium-MOSFET's en -IGBT's, de primaire schakelelementen van conventionele SMPS-apparaten, zijn inmiddels echter wel bereikt. Maar in hun plaats kunnen nu uit 'enhancement-mode galliumnitride' (eGaN) - een zogenaamde wide bandgap-halfgeleider - vervaardigde transistors worden gebruikt om de schakelsnelheid- en efficiëntiebeperkingen van silicium-apparaten te overwinnen.

Voorheen verhinderden de kosten en de beschikbaarheid van eGaN-transistors het gebruik ervan in iets anders dan voornamelijk esoterische voedingstoepassingen, maar dankzij een bredere commercialisatie zijn deze problemen nu verholpen. eGaN-transistors kunnen nu voor een veel bredere range van toepassingen worden ingezet.

Dit artikel beschrijft de voordelen van hoogfrequente, op eGaN schakelcomponenten gebaseerde voedingen ten opzichte van voedingen op basis van conventionele silicium (Si)-MOSFET's of IGBT's. Ook worden richtlijnen gegeven voor het bouwen van SMPS-ontwerpen die geschikt zijn voor toepassingen als batterijopladers of serverparken met behulp van eGaN-vermogenstrappen van EPC, Texas Instruments en Navitas Semiconductor.

De voordelen van hoge frequentie

Conventionele SMPS-apparaten gebruiken gewoonlijk schakelfrequenties variërend van tientallen tot honderden kilohertz (kHz). De arbeidscyclus van de pulsbreedtemodulatie (PWM) van de basisfrequentie bepaalt de uitgangsspanning van de voeding.

Het belangrijkste voordeel van een hogere schakelfrequentie is een vermindering van de grootte van perifere componenten, zoals inductors, transformators en weerstanden. Dit biedt ontwerpers de mogelijkheid hetzelfde uitgangsvermogen te verkrijgen met kleinere ontwerpen, waardoor de energiedichtheid toeneemt. Bovendien wordt de stroom- en spanningsrimpel bij de SMPS-uitgang beperkt, waardoor de kans op elektromagnetische interferentie (EMI) kleiner wordt en de kosten en afmetingen van filtercircuits worden teruggebracht.

Conventionele silicium-MOSFET's en -IGBT's schakelen echter relatief langzaam en verspillen, telkens wanneer de apparaten in- en uitschakelen, een aanzienlijke hoeveelheid stroom. Deze verliezen worden verveelvoudigd naarmate de frequentie toeneemt, met een vermindering van de efficiëntie en een stijging van de chip-temperaturen als gevolg. De combinatie van trage schakeling en hoge schakelverliezen legt een bovengrens op aan de praktische schakelfrequentie van de huidige SMPS-apparaten.

Ontwerpers kunnen door deze grens heen breken door naar wide bandgap-halfgeleiders over te stappen. Momenteel is GaN de meest beproefde en toegankelijke technologie voor deze toepassing. eGaN is een meer verfijnde versie van GaN.

Een vergelijking tussen silicium en GaN

GaN biedt meerdere voordelen ten opzichte van silicium. Een aantal van deze voordelen hangt samen met de hogere elektronenmobiliteit van het materiaal. Een hogere elektronenmobiliteit geeft de halfgeleider een hogere doorslagspanning (meer dan 600 volt) en een superieure "stroomdichtheid" (ampère/centimeter)² (A/cm²)). Een ander voordeel van GaN is dat van dit materiaal gebouwde transistors geen lading door spertraagheid vertonen, een fenomeen dat kan leiden tot een hoge schakelstroom-overshoot ('rinkelen').

Deze kenmerken zijn belangrijk bij het ontwerpen van een voeding, maar het allerbelangrijkste is misschien wel dat een GaN-transistor, dankzij de hoge elektronenmobiliteit, maar een kwart van de tijd van een silicium-MOSFET nodig heeft om te schakelen. Bovendien liggen de verliezen, iedere keer dat het GaN-apparaat schakelt, op ongeveer 10 tot 30 procent van die van een siliciumtransistor voor een gegeven schakelfrequentie en -stroom. Het resultaat is dat de GaN-transistors met hoge elektronenmobiliteit (high electron mobility transistors - HEMT's) op veel hogere frequenties kunnen worden aangestuurd dan silicium-MOSFET's of -IGBT's of siliciumcarbide (SiC)-apparaten (Afbeelding 1).

Afbeelding1: GaN HEMT's maken schakelende voedingen mogelijk met een hogere frequentie dan silicium- of SiC-apparaten. (Bron afbeelding: Infineon)

Dat GaN HEMT's er even over gedaan hebben om aan te slaan ligt voornamelijk aan twee redenen. Ten eerste zijn de apparaten in feite in uitputtingsmodus werkende field-effect-transistors (FET's), wat betekent dat de standaardmodus "aan” is. Silicium-MOSFET' zijn daarentegen enhancement-mode apparaten met standaard modus “uit”. Daardoor hebben GaN HEMT's aanvullende, zorgvuldig afgestelde bias-netwerken nodig om goed te kunnen functioneren. Ten tweede verloopt de vervaardiging van deze transistors volgens een ander proces dan de beproefde, grootschalige technieken die voor silicium worden gebruikt, waardoor ze duurder zijn. Deze ontwerpcomplexiteit en de hogere kosten hebben de toepassing van GaN HEMT beperkt tot high-end SMPS-apparaten.

Maar recentelijk is de commercialisatie van eGaN HEMT's verbreed en de noodzaak tot bias-netwerken wordt stilaan minder. Bovendien hebben chip-leveranciers drivers van geïntegreerde stroom-IC's geïntroduceerd op basis van eGaN HEMT's die het ontwerp vereenvoudigen. Daarnaast hebben de gestegen productieniveaus het mogelijk gemaakt de kosten van eGaN-apparaten te verlagen.

Geïntegreerde GaN-oplossingen

Bij ontwerpen van high-end SMPS waar voorheen eGaN HEMT's werden gebruikt, dwong de hoge prijs ontwerpers om het gebruik te beperken tot vermogenstransistors en voor de gate-drivers terug te grijpen op silicium-MOSFET's. Alhoewel er wel enige verbetering in de prestatie werd bereikt in vergelijking met ontwerpen met “alleen silicium”, brachten de siliciumelementen in het gecombineerde ontwerp de maximale schakelfrequentie in gevaar. Omdat voor GaN en silicium verschillende procestechnologieën worden gebruikt, moesten de gate-driver en vermogenstransistors ook als afzonderlijke componenten worden gefabriceerd, waardoor de kosten en de voetafdruk van de pc-printplaat toenamen.

De lagere prijzen voor eGaN hebben chip-producenten in staat gesteld om beide problemen aan te pakken. Texas Instruments biedt bijvoorbeeld de LMG3411R070 70 milliohm (mΩ), 600 volt eGaN-vermogenstrap met geïntegreerde gate-driver (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: de LMG3411R070 van Texas Instruments integreert een 70 mΩ, 600 volt eGaN-vermogenstrap met zijn driver. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

De chip kan 100 volt/nanoseconde (ns) schakelen met bijna tot nul teruggebracht 'rinkeleffect' (Afbeelding 3). Dit is vergelijkbaar met typische slew-rates van 3 tot 10 volt/ns voor conventionele silicium-MOSFET's.

Afbeelding 3: als gedemonstreerd door de geïntegreerde eGaN-vermogenstrap LMG3411R070 van TI, kunnen eGaN-vermogenstransistors veel hogere slew-rates hanteren dan MOSFET's, met minimaal 'rinkeleffect' (ringing). (Bron afbeelding: Texas Instruments)

Navitas Semiconductor bouwt een vergelijkbaar product, de NV6113. Dit product integreert een 300 mΩ, 650 volt eGaN HEMT, een gate-driver en bijbehorende logica in een QFN-pakket van 5 x 6 millimeter (mm). De NV6113 is bestand tegen een slew-rate van 200 volt/ns en werkt bij een frequentie van maximaal 2 megahertz (MHz).

Terwijl apparaten als de GaN-vermogenstrappen van TI en Navitas parallel kunnen worden toegepast voor gebruik in de populaire halve-brugtopologie (Afbeelding 4), zijn er weer andere producten beschikbaar die twee vermogenstransistors (en bijbehorende gate-drivers) op dezelfde chip integreren.

Afbeelding 4: de Navitas NV6113 kan parallel worden toegepast voor halve-brugtopologieën, zoals hier getoond. (Bron afbeelding: Navitas Semiconductor)

EPC introduceerde onlangs zijn EPC2115, een geïntegreerde driver-IC die twee twee monolithische eGaN-vermogenstransistors van 88 mΩ, 150 volt bevat, elk met een geoptimaliseerde gate-driver (Afbeelding 5). De EPC2115 wordt geleverd in een BGA-pakket van 2,9 x 1,1 mm met lage inductantie en werkt bij frequenties van maximaal 7 MHz.

Afbeelding 5: de driver-IC met geïntegreerde eGaN van EPC bevat twee vermogenstransistors, elk met zijn eigen, geoptimaliseerde gate-driver. Bron afbeelding: EPC)

Bij het ontwerpen van een voeding met eGaN HEMT's worden over het algemeen dezelfde principes gevolgd als bij silicium-MOSFET's, maar de hogere bedrijfsfrequentie is van invloed op de keuze van perifere componenten.

Keuze van perifere componenten

Om de impact van de frequentie op de selectie van componenten te illustreren, beschouwen we de ingangscondensator voor een simpele DC-naar-DC SMPS step-down-topologie (“buck”).

Ingangscondensators verminderen de amplitude van de ingangsrimpelspanning en dempen de rimpelstroom tot een niveau dat gehanteerd kan worden door relatief goedkope bulkcondenators, zonder buitensporige vermogensdissipatie. Een goede vuistregel om de stroomwaarden in de bulkcondensators binnen aanvaardbare limieten te houden, is de piek-tot-piek spanningsrimpelamplitude tot minder dan 75 millivolt (mV) te beperken. De ingangscondensator is meestal van het keramische type omdat deze condensators de extreem lage equivalente serieweerstand (ESR) hebben die nodig is om de spanningsrimpel effectief te verminderen.

Om de waarde te bepalen van de keramische ingangscondensator die nodig is om de piek-tot-piek spanningsrimpelamplitude tot een gegeven grootte te beperken, kan vergelijking 1 worden gebruikt:

Waar:

• C_MIN de minimaal vereiste ingangscapaciteit van de keramische condensator in microfarad (μF) is
• f_SW de schakelfrequentie in kHz is
• V_P(max) de maximaal toegestane piek-tot-piek rimpelspanning is
• I_UIT de uitgaande belastingsstroom in stabiele toestand is
• dc de duty-cycle is (arbeidscyclus, zoals hierboven gedefinieerd)
• (Van referentie 1)

Wanneer we de berekening uitvoeren met enkele typische bedrijfswaarden voor een high-end op silicium gebaseerde vermogenstrap levert dit de volgende uitkomst op:

• V_IN = 12 volt
• V_UIT = 3,3 volt
• I_UIT = 10 A
• η = 93 procent
• f_SW = 300 kHz
• dc = 0,296
• V_P(max) = 75 mV

Berekende C_MIN = 92 µF

Wanneer we de berekening herhalen voor een eGaN-vermogenstrap, zoals het Navitas-apparaat dat op 2 MHz werkt, met licht verbeterde efficiëntie en anderszins vergelijkbare bedrijfsomstandigheden, levert dit de volgende uitkomst op:

• V_IN = 12 volt
• V_UIT = 3,3 volt
• I_UIT = 10 A
• η = 95 procent
• f_SW = 2000 kHz
• dc = 0,289
• V_P(max) = 75 mV

Berekende C_MIN = 13 µF

De verlaging van C_MIN maakt gebruik van een kleinere component mogelijk.

Alhoewel het snelle schakelen van eGaN HEMT's over het algemeen voordelig is, levert het ook enkele uitdagingen op die bij het ontwerpen moeten worden overwonnen. Dit zijn op de eerste plaats problemen die samenhangen met de zeer steile slew-rate.

De slew-rate regelen

Een snelle slew-rate (dV/dt) kan onder meer de volgende problemen met zich meebrengen:

• Verhoogd schakelverlies
• Uitgestraalde en geleide EMI
• Interferentie elders in het circuit gekoppeld aan het schakelknooppunt
• Spanning-overshoot en 'rinkelen' op het schakelknooppunt door vermogenslusinductantie en andere parasitaire fenomenen

Deze problemen zijn het meest evident tijdens het opstarten of bij zware schakelomstandigheden.

Een eenvoudige oplossing bij gebruik van een Navitas-product is de slew-rate bij inschakeling te regelen door een weerstand toe te voegen tussen de C_VDD condensator en de V_DD-pen (zie nogmaals Afbeelding 4). Deze weerstand (R_DD) regelt de inschakelstroom van de geïntegreerde gate-driver en bepaalt de (neergaande) flank slew-rate bij inschakeling van de drain van de vermogens-FET (Afbeelding 6).

Afbeelding 6: de R_DD weerstand regelt de inschakelstroom van de NV6113 en bepaalt de (neergaande) flank slew-rate bij inschakeling van de drain van de vermogens-FET. (Bron afbeelding: Navitas Semiconductor)

De LMG3411 ondersteunt ook regeling van de slew-rate door een weerstand (R_DRV) aan te sluiten op de vermogenstransistorbron (zie nogmaals Afbeelding 2). De keuze van de weerstand regelt de slew-rate van de drainspanning op een waarde tussen ongeveer 25 en 100 volt/ns.

Het kiezen van de slew-rate is uiteindelijk een kwestie van compromissen sluiten. Snellere waarden leveren een lager vermogensverlies op omdat de periode waarin de schakelaar tegelijkertijd (en op inefficiënte wijze) hoge stroom geleidt in duur afneemt, maar zorgen voor een verslechtering van andere prestatiekenmerken. Een vuistregel is om de snelste slew-rate te vinden waarbij EMI, overshoot en 'rinkelen' net binnen de specificaties blijven.

Een tweede ontwerpuitdaging vloeit voort uit het risico voor te hoge stroom in samenhang met de werking op hoge frequenties.

Het belang van bescherming tegen te hoge stroom

Het voornaamste voordeel van het ontwerpen van een SMPS met hogere schakelfrequenties is dat de grootte van passieve componenten kan worden beperkt, waardoor de algehele vermogensdichtheid stijgt. Een nadeel is dat deze verhoogde vermogensdichtheid de kans op schade in het geval van te hoge stroom vele malen groter maakt. Het optreden van te hoge stroomsterktes is een altijd aanwezig risico bij SMPS-apparaten. Overstroompieken kunnen verschillende problemen veroorzaken, onder meer valse triggering als gevolg van externe parasitaire inductantie van de trace van de bron-pc-printplaat.

Een snelle bescherming tegen te hoge stroomsterkte (overcurrent protection - OCP) is belangrijk voor SMPS-apparaten die traditionele MOSFET's gebruiken maar is van levensbelang voor eGaN HEMT's, en wel om de volgende redenen:

• Voor dezelfde blokkeerspanning en 'aan'-status-weerstand is het oppervlak van de eGaN HEMT veel kleiner, waardoor het veel moeilijker is om de gedurende een situatie van te hoge stroom opgebouwde hitte af te voeren
• Een te hoge stroom moet worden gedetecteerd terwijl de eGaN HEMT in het lineaire gebied werkt, anders komt het apparaat snel in een toestand van verzadiging met overmatige vermogensdissipatie en schade als gevolg

Een conventionele benadering van OCP is het gebruik van een stroom detecterende transformator, shuntweerstanden of desaturatie-detectiecircuits (tabel). Jammer genoeg kunnen deze oplossingen de systeemprestaties nadelig beïnvloeden doordat ze de parasitaire inductanties en weerstanden in de vermogenslus verhogen, wat weer een reductie in de slew-rate noodzakelijk maakt, met een hogere vermogensdissipatie als resultaat. Bovendien zorgen discrete apparaten zoals stroom-detecterende transformators of shuntweerstanden voor hogere kosten en nemen ze printplaatruimte in beslag.

Een alternatieve benadering van OCP is om de drain-bronspanning (V_DS) van de GaN FET te detecteren met behulp van een stroom-detecterend element, een niveauverschuiver om het signaal aan de controller te rapporteren en een detectiecircuit. Deze methode heeft het voordeel dat er geen parasitaire inductanties en weerstanden worden gegenereerd die invloed hebben op de circuitprestaties, maar is niet nauwkeurig genoeg, voornamelijk vanwege de grote temperatuurcoëfficiënt van GaN.

Een derde optie is om een geïntegreerde eGaN-vermogenstrap te selecteren die al een geïntegreerde OCP-functie bevat. Hierdoor worden de nadelen van de twee hierboven beschreven benaderingen opgeheven. De LMG3411 van TI is een voorbeeld van een product dat deze functie biedt. Het beschermingscircuit van de LMG3411 kan de eGaN HEMTS in minder dan 100 ns uitschakelen wanneer er een te hoge stroomsterkte wordt gedetecteerd. Wanneer de PWM-ingang bij de volgende cyclus weer laag wordt, wordt het foutsignaal van de uitgang gewist. Hierdoor wordt de eGaN HEMT in staat gesteld om bij de volgende cyclus normaal in te schakelen, waardoor de onderbreking bij de uitgang tot het minimum beperkt wordt.

Tabel: overzicht van OCP-opties voor GaN HEMT-vermogenstrappen. Een vermogenstrap met geïntegreerde OCP selecteren is de eenvoudigste oplossing voor een ontwerper die nog geen ervaring met deze technologie heeft. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

Conclusie

Door de groeiende vraag naar SMPS-apparaten met hoge energiedichtheid voor toepassingen zoals op zonne-energie werkende inverters en serverparken, in combinatie met de dalende kosten per apparaat, zijn de eGaN HEMT's een aantrekkelijke optie geworden voor uiteenlopende voedingsontwerpen. Alhoewel het lastig kan zijn om eGaN HEMT's in ontwerpen op te nemen, heeft de introductie van eGaN HEMT-vermogenstrappen, die de gate-drivers(s) integreren met de vermogenstransistor(s), het voor SMPS-ontwerpers een stuk gemakkelijker gemaakt om deze technologie te gaan gebruiken voor voedingen met hoge vermogensdichtheid.

Referentie

1. “Input and Output Capacitor Selection,” Jason Arrigo, Texas Instruments, toepassingsrapport SLTA055, februari 2006.