Renesas представляет двунаправленный переключатель на основе GaN, работающий в режиме обеднения, который упрощает топологию для электромобилей, солнечных батарей и центров обработки данных.
Современные системы преобразования энергии требуют постоянно растущей эффективности, более высокой плотности энергии и плавной масштабируемости – все это по своей сути связано с двунаправленным потоком энергии. Возьмем, к примеру, бортовое зарядное устройство для электромобилей в реализации «от автомобиля до дома» (V2H).
В этой конфигурации, когда заряжается аккумулятор для электромобиля, питание поступает от сети к зарядному устройству. И наоборот, когда автомобиль находится в режиме ожидания, питание может быть переключено для питания бытовых приборов или для балансировки сети во время пиковой нагрузки. Другие устройства, включая фотоэлектрические микроинверторы и источники питания для центров обработки данных для искусственного интеллекта, используют этот двусторонний поток энергии.
Последние достижения в области технологии нитрида галлия (GaN) позволили создавать интегрированные двунаправленные переключатели, не прибегая к громоздким дискретным решениям, таким как пары кремниевых МОП-транзисторов с общим источником питания.
В этом контексте двунаправленные переключатели, которые долгое время были предметом научных исследований, в настоящее время становятся практическими строительными блоками в инструментарии проектировщика электроэнергии.
Двунаправленное переключение
Двунаправленный переключатель – это, по сути, силовое устройство, способное работать во всех четырех квадрантах плоскости ток-напряжение (рис. 1).
Эта особенность отличает двунаправленные переключатели либо от диода, работающего в одном квадранте, либо от МОП-транзистора, который может проводить ток в двух квадрантах, но блокирует напряжение только в одном.
На графике зеленая линия обозначает включенное состояние двунаправленного переключателя, которое может пропускать ток в обоих направлениях. Очевидно, что для реального переключателя наклон этой линии представляет собой величину, обратную сопротивлению устройства при включении.
Красная линия вдоль оси напряжений указывает на возможность блокировки. Настоящий двунаправленный переключатель должен выдерживать большие положительные и отрицательные напряжения на своих клеммах при нулевом токе утечки.
Четыре квадранта
В квадрантах I и III выключатель питания потребляет энергию, действуя, таким образом, как нагрузка или резистор, передающий ток и напряжение одинаковой полярности.
В квадрантах II и IV устройство обрабатывает ток и напряжение противоположной полярности. Это имеет решающее значение для таких применений, как рекуперативное торможение в электромобилях, где энергия передается от двигателя обратно к источнику (аккумулятору).
От дискретных к интегрированным решениям
До недавнего времени для достижения этих характеристик требовались два встроенных транзистора (B2B) – МОП-транзистор БТИЗ – или два диода. Современные двунаправленные переключатели могут быть реализованы в рамках единой структуры устройства. Такое сокращение количества компонентов приводит к снижению потерь при включении (I2R), уменьшению количества паразитных помех, таких как паразитная индуктивность и емкость, что обеспечивает более быстрое переключение и меньшие размеры катушек индуктивности и трансформаторов.
Для последовательного подключения в конфигурациях B2B требуются драйверы изолированных затворов или архитектуры с переключением уровней. Это также потенциально усложняет компоновку печатной платы, увеличивая паразитную индуктивность, которая может повлиять на работу переключателя и привести к электромагнитным помехам.
Двунаправленные переключатели на основе GaN, работающие в режиме обеднения
Технология GaN идеально подходит для высокоэффективных силовых преобразователей благодаря своей широкой запрещенной зоне, которая обеспечивает высокое критическое электрическое поле, высокую подвижность электронов и возможность быстрого переключения.
Сегодня полевые транзисторы на основе GaN предлагаются как в режиме обогащения – со встроенным режимом обычного отключения и простым, но специфичным приводом затвора, - так и в режиме обеднения. Последняя технология обеспечивает нормальное отключение при использовании в каскодной конфигурации с кремниевым МОП-транзистором. В этих структурах низковольтный МОП-транзистор обеспечивает нормальное отключение при стандартном управлении затвором, в то время как полевой транзистор на основе GaN выполняет быстрое переключение высокого напряжения.
Используя свою запатентованную технологию, Renesas Electronics Corporation предлагает TP65B110HRU (650 В, 110 Мом), новый двунаправленный переключатель, реализованный на кристалле GaN в режиме обеднения с двумя низковольтными МОП-транзисторами, размещенный в корпусе TOLT с охлаждением сверху. Базовая латеральная структура на основе нитрида галлия, состоящая из одного канала и двух симметричных управляющих вентилей, обеспечивает двунаправленную работу; при правильной подаче сигналов включения и выключения устройство блокирует напряжение и проводит ток в обоих направлениях.
Кроме того, затворами кремниевых МОП-транзисторов можно управлять с помощью стандартных драйверов затворов. Схема устройства Renesas и разводка выводов показаны на рис. 2.
Режимы работы двунаправленного переключателя от Renesas
Как показано на рис. 2, при включенных G1 и G2 канал устройства пропускает ток в обоих направлениях, тем самым достигается наименьшее сопротивление при включении и минимизируются потери проводимости.
Активация G1 или G2 обеспечивает однонаправленную проводимость при сохранении блокировки обратного напряжения. В периоды простоя этот режим обеспечивает беспрепятственный проход индуктивных токов, тем самым предотвращая перекрестную проводимость в опорах моста.
Когда оба устройства G1 и G2 выключены, каскодная конфигурация с устройством на основе GaN, работающим в режиме обеднения, приводит к отрицательному значению вентилей GaN относительно общего источника/стока, удерживая все устройство в выключенном состоянии и блокируя ток в обоих направлениях. Свободный ход устройства невозможен ни в одном из направлений. Этот режим сопряжен с некоторыми рисками при индуктивном переключении без зажима при высоком напряжении, что может привести к превышению максимальной мощности устройства.
Влияние на топологию силовых преобразователей
Двунаправленный переключатель имеет практические последствия для проектирования силовых преобразователей. Одним из замечательных преимуществ является сокращение количества компонентов, поскольку два B2B-МОП-транзистора могут быть заменены одним устройством, что упрощает электрическую и механическую компоновку. В то же время эта возможность позволяет создавать новые топологии.
Одним из таких примеров является иерархическая структура коррекции коэффициента мощности, где двунаправленные переключатели могут значительно улучшить работу высокочастотного сегмента, для чего обычно требуется два набора переключателей B2B для управления положительными и отрицательными полупериодами сигнала переменного тока. Хотя это уменьшает общее количество компонентов, оно также сводит к минимуму паразитную индуктивность.
Типичная для GaN характеристика нулевого заряда с обратным восстановлением (Qrr) выгодна тем, что обеспечивает высокочастотную работу с минимальными потерями при переключении, миниатюрными магнитными элементами и более высокой объемной плотностью мощности.
В трехфазных выпрямителях Vienna двунаправленные переключатели еще больше упрощают схему. В этом преобразователе переменного тока в постоянный общая нейтральная точка, подключенная к каждой фазе, помогает сбалансировать и стабилизировать выходное напряжение. Вместо того, чтобы полагаться на диоды и транзисторы для управления током между фазами и нейтралью, весь цикл переключения выполняется одним двунаправленным переключателем на основе GaN. Это сокращает количество компонентов вдвое, уменьшая потенциальные точки отказа и повышая надежность системы.
Можно утверждать, что наиболее привлекательная перспектива связана с топологиями одноступенчатых преобразователей. Благодаря прямому преобразованию переменного тока в постоянный, исключающему как промежуточный каскад постоянного тока, так и громоздкий конденсатор постоянного тока, двунаправленные переключатели могут уменьшить размер системы и продлить срок ее службы, поскольку электролитические конденсаторы не относятся к числу самых надежных компонентов в системах силовой электроники.
В фотоэлектрических микроинверторах такой подход позволяет создавать более компактные конструкции с меньшим количеством точек выхода из строя. В бортовых зарядных устройствах для электромобилей это обеспечивает более эффективный двунаправленный поток энергии между сетью и аккумулятором автомобиля.
В мегаваттных центрах обработки данных, где эффективность и удельная мощность имеют решающее значение, двунаправленная передача накопленной энергии обратно в энергосистему во время пикового спроса позволяет регулировать цены на энергию. Таким образом, в совокупности даже дополнительные выгоды обеспечивают значительную накопленную экономию.
Задачи и нерешенные вопросы
Несмотря на то, что двунаправленные переключатели на основе GaN являются многообещающими, остается решить несколько проблем.
Одна из них – масштабируемость. Первоначальные устройства, подобные устройствам от Renesas, рассчитаны на напряжение 650 В; переход на напряжение 1200 В требует глубоких конструктивных изменений для управления распределением электрического поля и изоляцией подложки. По мере повышения уровня энергопотребления все более важными могут стать упаковка и терморегулирование.
Другими ключевыми вопросами являются экосистема и поддержка устройств. Инструменты моделирования, эталонные проекты и инструкции по применению играют важную роль на этапе разработки. Их доступность имеет первостепенное значение для определения скорости внедрения технологии.
Также вызывает беспокойство эффективность защиты от электропомех. Высокие значения dv/dt могут привести к ее усилению, особенно при плотной компоновке. Хотя это является общей проблемой для устройств на основе GaN, интеграция функций двунаправленного подключения может усложнить работу.
Наконец, возникает тонкий вопрос о восприимчивости рынка. Исторически сложилось так, что разработчики не решались использовать GaN в режиме обеднения из-за его нормальной работы, которая требует отрицательного напряжения на приводе. Тем не менее, последние технологические усовершенствования позволяют преодолеть это препятствие, поскольку GaN в режиме обеднения по-прежнему обладает рядом привлекательных характеристик, таких как более низкий RDS(on) (более высокая подвижность электронов), меньшие потери на проводимость и исключительные высокочастотные характеристики (меньшие паразитные емкости).
Дальнейший путь
Внедрение интегрированных двунаправленных переключателей на основе GaN знаменует собой важную веху в силовой электронике. Благодаря оптимизации и рационализации операций двунаправленной коммутации этот новый класс устройств может упростить топологию преобразователей, повысить эффективность и реализовать новые архитектуры.
Однако валидация системы, разработка экосистемы и развертывание приложений важны больше, чем просто инновации в устройстве. В конечном счете, эти факторы будут определять, станет ли этот подход устоявшимся решением или останется нишевой, хотя и элегантной альтернативой.
Прежде чем новая тенденция закрепится, двунаправленные коммутаторы GaN следует рассматривать как дополнительный инструмент, а не просто как замену существующих технологий. Если двунаправленные переключатели помогут удовлетворить требования силовой электроники к повышению эффективности, плотности и функциональной интеграции, то их применение будет расширяться и впредь.
