فوائد دمج الاستشعار الحالي في GaN FETs

هذه المقالة مبنية على محاضرة¹ تم تقديمه في حدث APEC 2024 الذي عقد في فبراير الماضي في فلوريدا، وهو يركز على تطور جديد: دمج الاستشعار الحالي (CS) مباشرة في ترانزستورات التأثير الميداني (FETs) من نيتريد الغاليوم (GaN) مع حزمة PDFN وعدم الحاجة إلى إمدادات خارجية.

سوف نتعمق في الفوائد التي يقدمها هذا الحل وأدائه والنتائج التجريبية التي تم الحصول عليها باستخدام لوحة التحقق الإلكترونية للمحول بقدرة 60 واط.

متكامل مقابل المقاوم الخارجي الحالي

في تطبيقات إلكترونيات الطاقة، مثل محولات flyback أو تصحيح عامل القدرة (PFC)، عادةً ما يتم اكتشاف تيار التبديل للتحكم في وضع الذروة/الوادي الحالي أو حماية التيار الزائد. كما هو موضح في الجدول 1، تتوفر عدة طرق لتنفيذ هذه المهمة.

يتم تنفيذ CS عادةً باستخدام مقاوم تحويل خارجي أو محول تيار متصل على التوالي مع FET الرئيسي. يستخدم هذا النهج الجديد مقاومًا متكاملًا للتيار ولا يتطلب أي مصدر خارجي.

من خلال دمج CS في محولات GaN، يمكن تقليل الخسارة الناجمة عن المقاومات الحسية، مما يؤدي إلى تعزيز الكفاءة وزيادة التبديد الحراري. بالإضافة إلى ذلك، يعمل هذا الحل على تحسين طوبولوجيا حلقة البوابة، مما يؤدي إلى جهد أنظف لمصدر البوابة (V_ع) من GaN FET من خلال تمكين الارتباط المباشر بين المصدر والشبكة الأرضية.

يظهر الشكل 1 مقارنة بين طرق CS التقليدية والجديدة. تستخدم الطريقة الأولى GaN FET المنفصلة وR خارجي_حاسة المقاوم، في حين أن الحل المقترح يستخدم GaN FET مع مقاوم متكامل للتيار. لاحظ أن هناك حاجة إلى دبوس إضافي (CS).

الإخراج الحالي من CS (I_{خدمات العملاء}) هو جزء من تيار FET الأساسي (I_س). المقاوم الإعداد (R_تعيين) يتم وضعه بين CS و SS لتحويل التيار (I_{خدمات العملاء}) في الجهد (V_{خدمات العملاء}). يمكن إضافة مرشح RC لاحقًا كإجراء اختياري للتخلص من ضوضاء الرنين والتحويل. يقع مستوى الدقة المطلوب ضمن نطاق -3.5% إلى 3.5% عند تيار 4.0 أمبير، مع نطاق درجة حرارة يتراوح من 0 درجة مئوية إلى 105 درجة مئوية. يعد هذا المستوى من الدقة كافيًا لتلبية متطلبات العديد من وحدات التحكم، بما في ذلك QR flyback وAHB وPFC.

فوائد CS المتكاملة

الفوائد الرئيسية لحل CS المتكامل هي ما يلي:

• يتم تحقيق زيادة الكفاءة من خلال تقليل الخسائر الناتجة عن مقاومة الاستشعار والقضاء على النقاط الساخنة الحرارية. للحصول على كفاءة مماثلة لنظام GaN المنفصل التقليدي، يمكن للمرء استخدام GaN المدمج مع R أكبر_{DS (على)}، وبالتالي الحصول على فوائد التكلفة.
• يمكن استخدام مصدر كلفن للقيادة وحلقة محرك أنظف والأرض. في النهج المنفصل، لا يمكن استخدام مصدر كلفن بسبب وجود محاثة المصدر المشترك وإدخال الجهد المتقلب الناجم عن R_حاسة عندما يمر التيار من خلاله.
• الحل المقترح لا يتطلب إمدادات إضافية. وهذا يجعل الحل مدمجًا وسهل الاستخدام.
• الهجرة البسيطة من التكوين التقليدي مع المقاومات الحسية. باستخدام مقاومات 0-Ω، يمكن تعديل نفس تخطيط PCB ليكون متوافقًا مع مكون IC الجديد وGaN + R المنفصل التقليدي_حاسة.
• فمن السهل أن موازية.
• يؤدي تضمين دائرة مساعدة في مكون IC الجديد إلى رفع الجهد ESD من 200 فولت إلى 2 كيلو فولت. بشكل عام، تتمتع GaN FETs بتصنيف ESD منخفض ما لم يتم استخدام دائرة ESD لعملية GaN، وهي أقل تطورًا من دائرة السيليكون ESD.

النتائج التجريبية

تم اختبار الحل المقترح، المتوفر في حزمة PDFN مقاس 5 × 6 مم، باستخدام اختبار النبض المزدوج 400 فولت 6 أمبير (DPT)، وبالتالي تقييم خصائص تبديل FET الرئيسية النظيفة والاستشعار الدقيق والسريع للتيار. أداء. تظهر المخططات الخاصة بتكوين اختبار DPT المعتمد في الشكل 2.

يوضح الشكل 3 سلوك تبديل FET عند التشغيل الثابت وإيقاف التشغيل بقوة 400-V 6-A. ويتم تقييم أداء CS باستخدام جهاز اختبار DPT الموضح في الشكل 2. بينما V_س الرنين أقل من 20% من قيمته في الحالة المستقرة، وكلاهما V_ع و V_{خدمات العملاء} تظهر أشكال موجية واضحة. أنا_ل وتطبيع أنا_{خدمات العملاء} تتوافق جيدًا عند تمكين FET. في حالة عدم وجود FET، V_{خدمات العملاء} = 0 فولت و أنا_{خدمات العملاء} = 0 أ.

الخامس_{خدمات العملاء} يتم تحجيمها إلى I_س باستخدام دالة رياضية، وتظهر النتيجة توافقًا ممتازًا مع I_س عبر جميع المستويات الحالية. يبلغ وقت الاستجابة المقاس للتيار حوالي 200 ns، وهي قيمة أقل أو تساوي وقت طمس وحدة التحكم الشائعة.

عندما يتم إيقاف تشغيل FET، يتم إيقاف تيار التصريف (I_س) والتيار المجمع (I_{خدمات العملاء})، والتي يتم تحجيمها، تنخفض إلى الصفر. عادةً ما تتم ملاحظة عمليات CCM في محولات PFC ومحولات باك ذات القطب الطوطمي.

محول جالون بقدرة 60 وات

وخضع الجهاز الجديد أيضًا للاختبار باستخدام محول تجاري عالي الكثافة بقدرة 60 واط. عن طريق إجراء تعديل بسيط على FET + R المنفصلة_حاسة هيكل، ر_حاسة يتم التخلص من المكون. وبدلاً من ذلك، يتم توصيل طرف CS الخاص بهذه الوحدة بمنفذ CS الخاص بوحدة التحكم. يسمح هذا لوحدة التحكم بتلقي معلومات حول تيار FET الأساسي، والذي يستخدم لتنظيم ذروة التيار وحماية التيار الزائد.

بعد ساعتين من التشغيل المتواصل (90 فولت_تكييف، 20 فولت_خارج، 3 أ)، وصل جهاز GaN إلى درجة حرارة 92 درجة مئوية، أي أقل بأمان من حد التشغيل البالغ حوالي 125 درجة مئوية، وبالتالي لا يتطلب أي تبريد قسري.

تم الحصول على فائدة كفاءة بنسبة 0.4% باستخدام GaN مع الحل الحالي، مقارنة مع GaN FET + R المنفصل التقليدي_حاسة يقترب. وبالمثل، فإن GaN FET الأقل تكلفة مع R_{DS (على)} يمكن لحوالي 350 mΩ وقدرة CS تحقيق كفاءة وأداء حراري مماثل للإعداد التقليدي الذي يتكون من 150 mΩ R_{DS (على)} ومقاوم الاستشعار (R_حاسة).

مرجع

¹شيا، ي.، ميلنر، إل، وتشانغ، زد. (2024). “GaN FET مع حس التيار المتكامل بدون إمداد” Infineon Technologies، مؤتمر إلكترونيات الطاقة التطبيقية (APEC).

ظهرت فوائد دمج الاستشعار الحالي في GaN FETs لأول مرة على Power Electronics News.