Высокоэффективный 600 Вт усилитель НЧ на галлий-нитридных силовых транзисторах
(https://epc-co.com/epc/Products/eGaNFETsandICs/EPC2204.aspx)
Всё началось с проекта моих новых колонок. Я давно увлекаюсь, в качестве хобби, разными аудиопроектами, иногда довольно долгими и сложными. В этот раз, моё хобби совпало с возможным будущим направлением профессиональной деятельности.
В последние несколько лет все более широкое распространение в силовой электронике получают галлий-нитридные (GaN) транзисторы. Благодаря своим выдающимся характеристикам, эти транзисторы играют все большую роль в миниатюрных импульсных преобразователях разных типов, обладающих очень высокой плотностью мощности, нередко превышающей 100 Ватт/см3. КПД преобразователей, основанных на GaN-транзисторах может достигать 99.5%. За счет расширения области частот преобразования в сторону единиц МГц, магнитные компоненты (дроссели, трансформаторы) также уменьшаются в размерах в разы.
Однако, разработчики преобразовательной техники сталкиваются с многочисленными сложностями с имплементацией практических конструкций на GaN-транзисторах. Наилучшие представители поставляются в бескорпусном исполнении, драйверы управления GaN-транзисторами также весьма миниатюрны. Существует значительная проблема оптимизации схемотехники и топологии затворных цепей в виду огромных скоростей переключения. Также следует напомнить, что в галлий-нитридных транзисторах фактически отсутствуют всем знакомые по MOSFET-ключам паразитные body-диоды, что влияет на особенности применения.
Учитывая значения действующих токов и напряжений относительно размеров силовых элементов, становится понятным, что необходим новый подход к конструированию устройства, в части топологии печатной платы, теплоотвода и обеспечению области безопасной работы во всех режимах.
В результате поисков технического решения, появилась идея создания интеллектуального модуля усилителя постоянного тока (УПТ) на основе GaN-транзисторов со следующими параметрами:
Напряжение питания до 80 В, выходной ток до 20 А
Синусоидальная выходная мощность не менее 600 Ватт
КПД на половинной мощности не менее 98%, на полной мощности не менее 96%
Полоса пропускания не менее 50 кГц
Частота несущей около 1 МГц, предельная частота переключения до 10 МГц
Скорость нарастания на выходах полумостов не менее 50 В/нс
«Мертвое время» в полумосте 1.5–15 нс
Диагностика и установка параметров по последовательному интерфейсу (SMBus)
Упрощенная структурная схема.
В модуле используется недорогая микросхема программируемой логики (ПЛИС) Lattice MachXO2, и сделано это неспроста. Основной задачей ПЛИС является поддержание безопасных режимов работы силовых ключей и выходного дросселя вне зависимости от параметров входного сигнала, в частности, ограничение индекса модуляции и ограничение минимальной входной частоты управляющих сигналов. Другими словами, при падении частоты входного сигнала ниже установленной, ПЛИС начинает вырабатывать дополнительные импульсы, предотвращающие срабатывание UVLO-детекторов из-за разряда бутстрепных конденсаторов верхнего плеча в драйверах полумостов, а через некоторое время срабатывает программируемый таймер, и ПЛИС переводит модуль в режим аварии. Также ограничивается минимально возможная длина импульсов для ограничения среднего тока заряда бутстрепных конденсаторов. При соответствии параметров входного сигнала введенным ограничениям, сигнал со входов передается на драйверы полумостов асинхронно, с задержкой менее 5 нс и минимальными временными искажениями. Все ограничения и таймеры программируются через SMBus и могут быть деактивированы пользователем.
Проблема теплоотвода решается комплексным способом. Применена многослойная печатная плата с фольгой 35 мкм на внешних слоях и 70 мкм на внутренних слоях, переходные отверстия заполнены медью. Модуль размещен в алюминиевом корпусе размером 76×36 х 18 мм, изготовленном на ЧПУ, на последнем этапе сборки выполняется вакуумная заливка специализированным двухкомпонентным компаундом, обладающим очень высокой теплопроводностью.
Корпусированные прототипы.
Разработка выходного демодулирующего дросселя превратилась в отдельную НИОКР, связанную с необходимостью детального изучения параметров новейших силовых высокочастотных ферритов, выпускаемых компаниями TDK/Epcos и Ferroxcube, но не имеющих достаточных, для точных расчетов, данных в документации. Мне пришлось найти возможность изготовить образцы дросселей с различными зазорами и различным количеством витков и подробно их изучить. Это заняло не один месяц, с соответствующими расходами.
Частота собственного резонанса, измерение с помощью векторного анализатора цепей.
В результате, в предельно скромных габаритах, были изготовлены дроссели номиналом 33 мкГн, диапазоном линейного тока до 20 А и частотой собственного резонанса более 10 МГц. К сожалению, дросселей с подобными характеристиками всемирная промышленность не выпускает, пришлось выпускать свои. Достаточно большой сложностью было найти надежного производителя, обладающего технологией намотки медной шины «на ребро», так как от применения литцендрата я решил отказаться по многим причинам. Популярные в усилителях Д-класса дроссели на кольцевых магнитопроводах из «распыленного» железа обладают крайне низкой линейностью (в частности, зависимостью индуктивности от тока), впрочем, в отличии от ферритовых, не склонны к резкому насыщению.
График тока насыщения, шунт 0.003 Ом
Точно также пришлось изучать реальные характеристики различных пленочных конденсаторов для выходного демодулирующего LC-фильтра и остановить свой выбор на изделиях с полифенилсульфидным диэлектриком. Керамические конденсаторы для данных целей не подходят совершенно, в виду их огромной нелинейности.
Структурно, усилитель представляет собой полностью дифференциальную самоосциллирующую схему с достаточным запасом устойчивости. В качестве усилителя ошибки используется высококачественный быстродействующий компаратор с малым временем апертурной неопределенности. Уникальной особенностью УПТ является полное отсутствие зависимости коэффициента нелинейных искажений (КНИ) от частоты входного сигнала во всей полосе пропускания, и малая зависимость КНИ от уровня входного сигнала, что, как известно, является важным признаком высококачественного звукового усилителя. КНИ на мощности 10 Ватт не превышает 0.005%, на половинной мощности 0.015%, в точке »-0.5dB» — 0.035%. Возможно подключение внешнего дополнительного «усилителя ошибки», снижающего КНИ до 0.0005% и менее, такая схема подключения будет использоваться нашими коллегами, использующими данный модуль в поверочном электротехническом оборудовании.
Типичный спектр гармоник на мощности 10 Вт.
Практические испытания показали, что при выходной синусоидальной мощности до 200 Ватт модуль вообще не потребует дополнительного охлаждения при установке на печатную плату и работе внутри корпуса с естественной конвекцией.
На верхнюю плоскость корпуса выведен трехцветный многорежимный индикатор режимов работы. Отображается наличие и характер ошибок и причина аварийного режима. При возникновении ошибок, выходной сигнал ERR становится активным и код ошибки можно считать через SMBus-интерфейс.
Из-за крайне высоких dV/dt и dI/dT в силовых цепях модуля, при работе возникают довольно значительные всплески потенциала между силовой и сигнальной землями модуля. Пришлось установить гальванические развязки на управляющие сигналы.
Время нарастания/спада на выходе полумоста менее 2 нс, размах около 50В.
Гальваническая развязка опционального ШИМ-входа (его можно выбрать с помощью подачи соответствующей команды) выполнена на широкополосном трансформаторе, так как существующие модели интегральных гальванических развязок (ADuM12x и прочие) могут вносить заметные временные искажения управляющих импульсов.
УПТ сохраняет высокую устойчивость в широком диапазоне импеданса нагрузки и обладает хорошей переходной характеристикой даже в режиме жесткого ограничения:
Синий луч — выходное напряжение, зеленый луч — управляющий сигнал.
Для управления и конфигурации модуля мой коллега написал удобную утилиту:
В качестве интерфейсного устройства используется известный и распространенный переходник USB→I2C на базе микросхемы CH341A. Коллеге пришлось немного поколдовать над библиотеками, найденными в Сети, прежде чем всё заработало.
В разработке находятся универсальный двухфазный модуль без выходного демодулирующего фильтра, на котором можно построить широкий спектр преобразователей постоянного тока с различными топологиями (buck-, boost- или LLC) и трехфазный вариант силового модуля со схожими параметрами для применения в приводах.
Универсальный двухфазный модуль.
Я столкнулся с большими проблемами логистики в течении всего этого сумасшедшего года, а также с большой ложью поставщиков некоторых компонентов. В частности, от драйверов производства компании PSemi вообще пришлось отказаться, и начать всё заново — первые прототипы сгорали, как свечки, по необъяснимым причинам. В течении считанных месяцев, PSemi ухудшали заявленные изначально ключевые параметры микросхем драйверов PE29102, даже не удосужившись при этом изменять версию документации и не отвечали на неудобные вопросы, а к концу года вообще поставили статус NRND для данных микросхем. Нельзя не отметить сложности с моделированием схем с галлий-нитридными ключами, с моделями от производителя, не имеющими в себе хотя бы толику паразитных индуктивностей, и некоторые их откровенно дерзкие референс-дизайны, работающие только сами по себе, в отрыве от окружающей действительности.
Тем не менее, выражаю признательность европейскому офису EPC за поддержку, хотя и после довольно оживленной переписки, связанной с нахождением в документации на транзисторы некоторых неточностей.
Итогом этой большой работы, продлившейся, в общей сложности, около двух лет, является хорошее понимание возможностей галлий-нитридной силовой электроники, выработан целый ряд архитектурных, схемотехнических, топологических и конструктивных решений, позволяющих теперь уже в короткие сроки разрабатывать широкий спектр различных устройств на прорывных электронных компонентах. Назвал я своё детище RevoGaN 8020.
Приятной новостью последних дней уходящего года стал пресс-релиз НИИЭТ о начале выпуска отечественных силовых галлий-нитридных транзисторов с изолированным затвором.
Литература:
Why GaN?
Self oscillating class D amplification device
GaN-транзисторы с индуцированным каналом.
Способ получения нитрида галлия.
Экспертное мнение: Полупроводниковые материалы в электронике.
