دوائر حماية GaN HEMTs – أخبار إلكترونيات الطاقة
تتطلب الصناعات اليوم دوائر إلكترونية مضغوطة وأسرع يمكن تنفيذها في التطبيقات عالية الطاقة مثل أجهزة الكمبيوتر عالية الأداء والمركبات الكهربائية ومراكز البيانات ومحركات المحركات عالية الطاقة. الطريقة الوحيدة لتحقيق هذا العمل الفذ هي زيادة كثافة طاقة الأجهزة الإلكترونية. تتميز دوائر MOSFET القائمة على السيليكون بسرعات تحويل أقل وكفاءة حرارية ؛ وبالتالي ، لا يمكن استخدامها في التطبيقات عالية الطاقة دون زيادة الحجم وبالتالي المساس بكثافة الطاقة. هذا هو المكان الذي تستخدم فيه الترانزستورات عالية الحركة المستندة إلى نيتريد الغاليوم (HEMTs) لتصنيع إلكترونيات عالية الكثافة لتطبيقات مختلفة عبر الصناعات.
تُظهر GaN HEMTs استردادًا عكسيًا صفريًا ، وشحنًا منخفضًا للإخراج ومعدل دوران أعلى ، مما يتيح طوبولوجيا أحدث توفر كفاءات أعلى ، وهو أمر غير ممكن من خلال MOSFETs القائمة على Si. يساعد التشغيل عالي التردد لـ GaN المصممين على زيادة كثافة طاقة الأجهزة ، مما يؤدي بدوره إلى زيادة كفاءة النظام ويؤدي إلى توفير التكاليف. لكن زيادة تواتر العملية تؤدي أيضًا إلى تحديات لتصميم دوائر حماية ماس كهربائى والتيار الزائد لهذه GaN HEMTs.
رابط لمقال IEEE الأصلي
دوائر الحماية الموجودة وعيوبها
تعمل GaN HEMTs بترددات عالية جدًا ، لذا يجب أن تكون دارات الحماية الخاصة بها أسرع من طرق الحماية التقليدية للدائرة القصيرة والتيار الزائد المستخدمة في الدوائر MOSFET القائمة على Si ، والتي يمكن تلخيصها على النحو التالي:
- يستخدم كاشف خطأ إزالة التشبع المتكامل في دائرة سائق البوابة IGBT نفسه كجهاز قياس الخطأ. خلال دائرة قصر ، يزداد جهد المجمع-الباعث بشكل غير طبيعي ، مما يشير إلى وجود دائرة قصر.
- المقاوم ذو الإحساس الحالي هو مقاوم منخفض الجهد يستخدم لتعيين التيار المتدفق إلى جهد لمراقبة التدفق الحالي. إنها مقاومات منخفضة المقاومة وعالية الطاقة متصلة في سلسلة مع الدائرة.
- يساعد استشعار الجهد عبر حث المصدر المشترك في اكتشاف معدل تغير التيار (di / dt).
هذه الطرق التقليدية للحماية لها وقت تأخير يقارب 2.5 µs ، وهو أمر مرتفع بالنسبة لـ GaN HEMTs. يضيف المقاوم المستشعر للتيار محاثة طفيلية إضافية إلى الدائرة ، والتي يمكن أن تؤثر سلبًا على أداء التحويل لـ GaN HEMTs. لا يعد استشعار الجهد عبر محاثة المصدر المشترك عمليًا بالنسبة إلى GaN ، حيث يتم اتخاذ خطوات نشطة لتقليل الحث الشارد في دائرة GaN لتحسين أداء التحويل. لذلك ، هناك حاجة إلى طرق بديلة لحماية الدائرة القصيرة والتيار الزائد لأجهزة GaN. تقترح الأبحاث الحديثة وجود دائرة قصر / تيار زائد منفصل للحماية ، لكنها إما مقصورة على الدوائر منخفضة الطاقة أو تتطلب مكونات غير مجدية عمليًا.
طريقة الحماية المقترحة
كما ذكرنا ، هناك العديد من أوجه القصور في التكنولوجيا المستخدمة حاليًا لحماية الدائرة القصيرة والتيار الزائد من GaN HEMTs. تتكون دائرة حماية الدائرة القصيرة المقترحة فائقة السرعة من مرحلتين: مرحلة إيقاف التشغيل ومرحلة إيقاف التشغيل الصعبة. يوضح الشكل أدناه مخطط الدائرة للدائرة المقترحة ، والتي تراقب بشكل أساسي جهد التصريف إلى المصدر للحصول على Vحاسة. الخامسحاسة ثم تتم مقارنة الجهد المرجعي الخامسالمرجع باستخدام المقارنة إذا كان V.حاسة أكبر من V.المرجع، يتم سحب إشارة خطأ عالية. يتم استخدام جهد التشغيل / إيقاف التشغيل لدائرة سائق البوابة لضبط V.حاسة، مما يلغي الحاجة إلى مصدر طاقة إضافي. في حالة دائرة سائق البوابة المعزولة ، يتم استخدام عازل إشارة لإرسال إشارة الخطأ مرة أخرى إلى دائرة سائق البوابة. تقوم إشارة الخطأ بتعطيل دائرة سائق البوابة ، مما يؤدي إلى بدء مرحلة إيقاف التشغيل الثابت.
تُستخدم وظيفة الإيقاف الناعم للحد من ارتفاع الجهد المتولد بسبب تغير الحث الشارد. يقوم المقاوم R3 مع مفتاح MOSFET النشط بتنفيذ نفس الشيء. عندما ترتفع إشارة الخطأ ، يتم تشغيل MOSFET لتشكيل مقسم جهد باستخدام مقاومات Rg_on و R3 لبوابة GaN HEMT. يحد جهد البوابة السفلي من تيار التشبع ، والذي بدوره يقلل تدريجيًا من تيار التصريف.
نتائج المحاكاة وتنفيذ الأجهزة
لاختبار قدرات الحماية من الدائرة القصيرة والتيار الزائد للطريقة المقترحة ، يتم إجراء عمليات المحاكاة على برنامج محاكاة LTspice. يعتمد اختبار حماية الدائرة القصيرة على الدائرة القصيرة لخطأ التحويل الثابت مع الجهاز أحادي الطرف ، بينما يتم اختبار حماية التيار الزائد على دائرة اختبار نموذجية مزدوجة النبض. خلال ماس كهربائى ، تيار التصريف أناد يرتفع بسرعة إلى نقطة التشبع ويلاحظ انخفاض الجهد في V.س بسبب الحث الشارد الموجود في الدائرة.
يوضح الرسم البياني أعلاه نتائج المحاكاة في ثلاثة سيناريوهات مختلفة: بدون حماية ، مع حماية قوية ضد الانقطاع فقط وحماية على مرحلتين. يوضح الرسم البياني لدرجة الحرارة في حالة دائرة عدم الحماية ارتفاعًا سريعًا في درجة حرارة الوصلة ، مما قد يؤدي إلى تدمير حراري للمنتج. علاوة على ذلك ، تُظهر نتائج المحاكاة أن كلاً من دوائر الحماية ذات الفتح الثابت ودوائر الحماية ذات المرحلتين قادرة على الحفاظ على ارتفاع درجة الحرارة ضمن الحدود المقبولة ، مما يحمي الجهاز من التلف الحراري. تظهر نتائج المحاكاة ارتفاعًا عاليًا في الجهد الكهربي في حالة الحماية من إيقاف التشغيل الصلب. هذا لأن دائرة سائق البوابة تنطفئ فقط عندما يكون تيار التصريف Iد يتجاوز الحد المعين. هذا يعني وجود محاثة شاردة في الدائرة ، والتي بدورها تؤدي إلى ارتفاع دي / دي تي وبالتالي ارتفاع الجهد العالي. تساعد ميزة الحماية من إيقاف التشغيل الناعم لدائرة الحماية ذات المرحلتين في الحفاظ على المحاثة الشاردة منخفضة ، مما يمنع ارتفاع الجهد العالي.
تم إجراء اختبار الأجهزة للدائرة للتحقق من صحتها. تُظهر نتيجة اختبار ماس كهربائى بقدرة 400 فولت أن الإغلاق الناعم استغرق 85 نانوثانية وأن إيقاف التشغيل الثابت للمرحلة الثانية استغرق 125 نانوثانية ، وهو أقل بكثير من دوائر الحماية التقليدية للتيار القصير والتيار الزائد التي لها دور -وقت الراحة 2.5 µs. أظهرت نتائج الأجهزة أيضًا أن ارتفاع الجهد الناتج عن الحث الشارد كان 520 فولت فقط بسبب ميزة الإيقاف الناعمة. يمكن أن توفر دائرة الحماية الموضحة في هذه المقالة استجابة أسرع لأعطال الدوائر القصيرة والتيار الزائد في GaN HEMTs ويمكن أن تساعد في الاعتماد على نطاق واسع وتنفيذ أكثر أمانًا لأجهزة أشباه الموصلات عالية التردد هذه.
لمزيد من المعلومات يرجى زيارة IEEE
اكتشاف المزيد من موقع 5 كيلو
اشترك للحصول على أحدث التدوينات المرسلة إلى بريدك الإلكتروني.
