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)
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 35мкм на внешних слоях и 70мкм на внутренних слоях, переходные отверстия заполнены медью. Модуль размещен в алюминиевом корпусе размером 76 х 36 х 18 мм, изготовленном на ЧПУ, на последнем этапе сборки выполняется вакуумная заливка специализированным двухкомпонентным компаундом, обладающим очень высокой теплопроводностью.
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.
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.
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.
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.
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:
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.
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.
