Кремниевый полевой транзистор на 100 вольт — зрелая, дешёвая и прекрасно отлаженная вещь. Вытеснить её можно только там, где решает частота.
Несколько лет нитрид галлия в силовой электронике означал высокое напряжение: зарядные устройства на 65 Вт, источники питания, преобразователи на сотни вольт. Там преимущество было очевидным, и спорить с ним кремний не мог.
Низковольтный диапазон до 100 В оставался кремниевой территорией. Полевой транзистор на 60 или 100 вольт — изделие зрелое, с сопротивлением канала в единицы миллиом, отработанной технологией и копеечной ценой при массовом выпуске.
Сейчас приборы на нитриде галлия приходят и сюда. Разберём, что они дают и чего это стоит.
Откуда берётся выигрыш
Три механизма, и все три связаны с переключением, а не с проводимостью:
1. Отсутствие обратного восстановления. В кремниевом полевом транзисторе есть встроенный паразитный диод, образованный самой структурой прибора. В мостовых схемах и в синхронном выпрямлении этот диод проводит ток в интервалах мёртвого времени, а при закрывании не отключается мгновенно: накопленные носители нужно вывести, и через прибор течёт обратный ток. Это даёт потери, всплески тока и помехи.
В приборах на нитриде галлия такого диода нет. Обратная проводимость обеспечивается самим каналом, накапливать нечего, заряд обратного восстановления равен нулю.
2. Малый заряд затвора. Чтобы открыть транзистор, в его затвор нужно закачать заряд, а при закрывании вывести. На каждом цикле переключения эта энергия теряется. Чем выше частота, тем больше циклов в секунду и тем заметнее потери. У приборов на нитриде галлия заряд затвора при сопоставимом сопротивлении канала заметно меньше.
3. Малая выходная ёмкость. Её тоже приходится перезаряжать каждый цикл, и энергия эта теряется.
Отсюда и характер выигрыша. На постоянном токе или на низкой частоте хороший кремниевый прибор ничем не хуже: потери там определяются сопротивлением канала, а оно у обоих может быть сопоставимым. Разница появляется с ростом частоты и растёт пропорционально ей.
Заявленные производителями цифры по новому поколению низковольтных приборов: снижение потерь переключения на 40–70 процентов, выигрыш по КПД системы в 1–3 процента, рост удельной мощности до двух раз. Цифры вендорские, получены на выбранных схемах, но порядок величин физике не противоречит.
Что вытекает из высокой частоты
Главная практическая выгода не в процентах КПД, а в габаритах.
Энергия, запасаемая в дросселе за цикл, определяется индуктивностью и током. Если частота выше, за цикл нужно передать меньше энергии, а значит, и индуктивность может быть меньше. То же с ёмкостью фильтра.
Дроссель — обычно самый крупный, тяжёлый и дорогой элемент преобразователя. Поднять частоту вдвое означает примерно вдвое уменьшить магнитные элементы. Именно поэтому в описаниях новых приборов фигурируют уменьшенные пассивные компоненты: это не отдельное улучшение, а прямое следствие.
Чем приходится платить
Теперь о том, о чём в пресс-релизах пишут мельче.
Управление затвором требует аккуратности. Допустимое напряжение затвор-исток у приборов на нитриде галлия с индуцированным каналом заметно ниже, чем у кремниевых, а запас до предельного значения мал. Выброс на затворе, который кремниевый прибор переживёт не заметив, здесь может его погубить.
Скорость переключения — палка о двух концах. Быстрые фронты означают малые потери, но и большие скорости нарастания напряжения. Любая паразитная индуктивность в силовой петле превращается в выброс напряжения, любая ёмкость связи — в наводку. Топология платы становится частью схемы: петля затвора должна быть минимальной, силовая петля — тоже, развязывающие конденсаторы ставятся вплотную.
Отсюда и практический вывод. Производители сейчас выпускают низковольтные приборы в корпусах, совместимых по посадочному месту с кремниевыми. Поставить прибор в существующую плату физически получится. Заработает ли схема как надо — вопрос отдельный: драйвер почти наверняка потребует переделки, а разводку силовой части придётся пересматривать.
Где переход оправдан
Коротко по областям:
- синхронное выпрямление в сильноточных преобразователях — оправдан, здесь выигрыш максимальный;
- многофазные понижающие преобразователи с высокой частотой — оправдан;
- приводы электродвигателей с высокой частотой модуляции — оправдан, особенно в компактных конструкциях;
- солнечные микроинверторы — оправдан за счёт габаритов;
- простая коммутация нагрузки, низкочастотные схемы, электронные предохранители — не оправдан, кремний тут дешевле и спокойнее;
- любительские конструкции без жёстких требований к габаритам — скорее не оправдан, пока не появится навык работы с быстрыми фронтами.
Для желающих попробовать разумный путь — начать с отладочной платы производителя. На ней видно, как разведены цепь затвора и силовая петля, а в низковольтной мощной схеме именно эти детали определяют, будет работать устройство или дымиться.
