Демонтрация силы: референсная плата GAN-полумоста от GAN SYSTEMS

Фирма GaN Systems хорошо знакома постоянным читателям Унитеры. В одной из предыдущих статей был проведен обзор нитрид-галлиевых транзисторов этой компании. Теперь для продвижения своей продукции GaN Systems выпустила отладочную плату GS66508T-EVBHB, которая в очередной раз демонстрирует преимущества GaN-транзисторов. При использовании GS66508T-EVBHB в составе синхронного понижающего преобразователя значение КПД превысило 98,5% для диапазона выходных мощностей 1…2 КВт! Однако главная особенность данной отладочной платы заключается в том, что она выполнена в виде небольшого стенда, схему которого определяет пользователь с помощью подключения внешних проводников и компонентов (индуктивностей, конденсаторов, резисторов).

Рис. 1. Отладочная плата GS66508T-EVBHB отGaN Systems

В одной из предыдущих статей Унитеры уже проводился обзор нитрид-галлиевых транзисторов от GaN Systems, а также отмечались их ключевые достоинства:

• островковая технология выращивания GaN структур на кремниевой подложке;
• особая технология корпусов GaNPX с верхним или нижним расположением теплоотводящей площадки, низким тепловым сопротивлением и минимальной собственной индуктивностью;
• возможность коммутации токов до нескольких сотен ампер;
• два семейства с рейтингами напряжения 100 В и 650 В;
• стандартный диапазон напряжений затвор-исток 0…6 В, увеличенная стойкость к выбросам -20/ +10 В;
• положительный температурный коэффициент;
• минимальные времена переключений и высокая скорость нарастания сигнала 100 В/нс;
• минимальные потери на переключения.

В настоящий момент номенклатура компании состоит из двух семейств: 650 В транзисторов GS665xxи 100 В транзисторов GS100xx (рис. 2).

Рис. 2. Характеристики GaN-транзисторов и внешний вид GS66508Tот GaN Systems

Недавно для продвижения своей продукции GaN Systems выпустила отладочную плату GS66508T-EVBHB с очень необычным дизайном.

GS66508T-EVBHB представляет собой печатную плату с полумостовой схемой на базе двух транзисторов GS66508T(650 В, 30 А, 55 мОм). Кроме транзисторов на плате расположены драйверы управления затворами, схема формирования «мертвого» времени, стабилизаторы напряжения, пассивные компоненты, разъемы и радиатор (рис. 3). Все компоненты, кроме силовых ключей, распаяны на верхней стороне платы. Транзисторы GS66508T находятся на нижней стороне и закрыты радиатором.

Рис. 3. Отладочная плата GS66508T-EVBHB (с запрессованными клеммами) и ее функциональная схема

С первого взгляда GS66508T-EVBHB может показаться достаточно традиционной отладочной платой, однако она имеет несколько особенностей.

Во-первых, это полноценная референсная плата с открытой принципиальной схемой, перечнем элементов, рисунком проводящих слоев.

Во-вторых, инженеры GaN Systems самостоятельно провели целый ряд испытаний. В результате у пользователей появилось наглядное представление того, что можно ожидать от нитрид-галлиевых транзисторов на практике. Эти испытания, а точнее их результаты, стали отличной демонстрацией преимуществ технологий GaN-транзисторов от GaN Systems. Более подробно о результатах тестов рассказано ниже.

В-третьих, на плате расположены посадочные многофункциональные монтажные отверстия для различных типов клемм (banana, штыри и т.д). Они используются для подключения внешней индуктивности, конденсаторов, резисторов и проводников. Это превращает плату в мини-стенд и позволяет пользователю самому конфигурировать схему под свои задачи.

Последняя особенность оказывается самой интересной. Любому профессиональному инженеру-электронщику плата может напомнить о студенческих годах и о классических стендах для лабораторных работ по теоретическим основам электротехники. С помощью внешних элементов (проводников, индуктивности и емкости) можно легко переделать плату под одну из популярных схем (рис. 4).

Рис. 4. Монтажные схемы на базе GS66508T-EVBHB

Пользователь может сконфигурировать плату для следующих режимов работы:

• типовая полумостовая схема для коммутации различной нагрузки, в том числе индуктивной (рис. 4а);
• схема понижающего преобразователя (рис. 4б);
• схема повышающего преобразователя (рис. 4в).

Как было сказано выше, чтобы продемонстрировать возможности транзисторов и самой платы, инженеры GaN Systems провели ряд испытаний.

Коммутация индуктивной нагрузки (схема рис. 4а). В данном испытании проверялись рабочие характеристики схемы и ее устойчивость при прямой коммутации индуктивной нагрузки. Как известно, одна из слабых сторон нитрид-галлиевых транзисторов заключается в узком диапазоне управляющих напряжений затвор-исток. Действительно, рабочий диапазон составляет всего 0…6 В при пороговом напряжении включения порядка 1,8 В. Таким образом, возникает опасность, что даже при малейших бросках на выводе истока, может произойти ложное включение транзистора. Эту особенность чрезвычайно важно учитывать именно при коммутации индуктивной нагрузки.

В данном испытании использовалось входное напряжение 400 В и индуктивность 120 мкГн. В результате схема показала устойчивую работу при токах до 30 А (рис. 5).

Выбросы напряжений затвор-исток при включении составили около 0,8 В, а при выключении менее 0,5 В. Это — меньше напряжения включения 1,8 В, а значит транзисторы надежно защищены от дополнительных ложных переключений.

Скорость включения и выключения транзисторов при этом оказались на уровне 10 нс и 6 нс, соответственно.

Рис. 5. Осциллограмма при коммутации индуктивной нагрузки

Синхронный понижающий преобразователь (рис. 4б). Самым популярным приложением силовых транзисторов являются понижающие DC/DC преобразователи. Кроме входных и выходных характеристик для них крайне важно иметь максимальный КПД.

В проведенном испытании понижающий синхронный преобразователь имел следующие характеристики: L = 120 мкГн, VIN=400 В, VOUT = 200 В, D = 50%, FSW = 100 кГц, POUT = 0…2 кВт. В диапазоне от 250 Вт до 2 кВт КПД превысил 96,5% (рис. 6). Более того, в диапазоне от 1 КВт до 2 кВт КПД не опускался ниже 98,5%! При этом, во время испытаний температура транзисторов не превышала 80 ºС при воздушном охлаждении!

Рис. 6. КПД понижающего преобразователя на базе GS66508T-EVBHB

Эти результаты помогают оценить, насколько высок потенциал GaN-транзисторов. Для этого можно привести один яркий пример.

Электрические и гибридные автомобили используют силовые установки мощностью около 100 кВт. Стандартные кремниевые решения имеют типовое значение КПД в 95%. Таким образом, потери составляют 5 КВт! Чтобы рассеивать такое количество тепла, нужно не просто активное охлаждение, а водяные радиаторы. Если же использовать GaN-транзисторы, то это позволит поднять КПД до 98-99%. Мощность потерь упадет до киловатта, а такое количество тепла можно рассеивать с помощью простых радиаторов с воздушным охлаждением! В итоге применение GaN позволяет дополнительно упрощать систему в целом.

Таким образом, GS66508T-EVBHB в очередной раз продемонстрировала преимущества GaN- транзисторов: большую токовую нагрузочную способность, отличное быстродействие, высокий КПД при работе в составе преобразователей напряжения.

В заключение еще раз хотелось бы отметить, что GS66508T-EVBHB может использоваться как ознакомительный набор, как отладочная плата или мини-стенд. Кроме того, разработчикам ничто не мешает применять GS66508T-EVBHB в составе другого оборудования в качестве законченного блока. Конкретными примерами таких приложений являются: инверторы, блоки питания, корректоры коэффициента мощности и т.д.

Характеристики отладочной платы GS66508T-EVBHB:

• базовая схема: полумост;
• тип транзисторов: GS66508T650 В;
• возможные схемы включения: полумост, повышающий DC/ DC преобразователь, понижающий DC/ DC преобразователь;
• напряжение питания: 9…12 В;
• выходной ток: до 30 А;
• достижимый КПД: >98,5 % при выходной мощности 1…2 кВт (понижающий преобразователь).

Характеристики GaN-транзистора GS66508T:

• рейтинг напряжения: 650 В;
• типовое сопротивление открытого канала: 50 мОм;
• максимальное сопротивление открытого канала: 63 мОм;
• максимальный ток стока: 30 А;
• допустимый диапазон напряжения затвор-исток: 0…6 В;
• устойчивость затвора к импульсным перенапряжениям: -20…+10 В;
• рабочая частота: более 100 МГц;
• расположение теплоотводящей площадки: сверху;
• корпус: GaNPX™ 6,9x4,5 мм.