Technologie GaN w zaawansowanych systemach zasilania - cz. 2

Zalety technologii GaN przedstawiliśmy Państwu w części pierwszej, traktujący o tym samym temacie. Jednakże pomimo tego, że GaN ma wiele tych zalet i wiele do zaoferowania, technologie oparte o GaN dopiero raczkują, jeśli chodzi o ich wykorzystanie w nowoczesnych układach zasilania, takich jak SMPS. GaN ma pewne niedogodności, z którymi projektanci (dopiero) uczą sobie radzić. Sukcesy GaN w LED’ach czy technologiach komunikacji bezprzewodowej dały wrażenie, że mamy już gotowe technologie, pozwalające na wejście tego materiału w układy zasilania i szeroko pojętą energoelektronikę. Jednakże faktyczne wymagania, stawiane tranzystorom FET produkowanym z wykorzystaniem GaN są nieco większe, a ich wykonywanie nie jest tak sprawne. Wydłużył się też czas potrzebny na opracowanie nowych układów zasilania, w tym kontrolerów tranzystorów FET GaN. Wymaga się większej uwagi i staranności, przy rozwiązywaniu każdego z problemów po kolei, na jakie trafiają projektanci nowoczesnych układów SMPS, w porównaniu do tych, opartych o klasyczne przełączniki krzemowe (Si). Najprostszym przykładem może być to, że typowe tranzystory Si (MOSFET) normalnie znajdują się w trybie nieprzewodzącym. Z kolei przełączniki GaN normalnie znajdują się w stanie aktywnym (przewodzącym), lub zubożonym („depleted”). Takie różnice wymagają niemal całkowitego przeprojektowania całego systemu zasilania, pozwalając im na efektywną pracę. Czasem stosuje się podwójne klucze (wzbogacone), które wprowadzą funkcjonalność podobną do MOSFET’ów, czyli tryb normalnie wyłączony (nieprzewodzący). Innym problemem jest zapewnienie większej dokładności w domenie czasowej. Stosowanie GaN to często też chęć stosowania wyższych częstotliwości, a tranzystory GaN już same w sobie wymagają tej dokładności na wysokim poziomie. Co więcej, klucze takie są bardzo wrażliwe na indukcyjności pasożytnicze w układzie. Pojawiają się jednak sterowniki tranzystorów FET GaN, które radzą sobie z tym problemem całkiem nieźle. Przykładem może być tu układ LM5113 od TI, który stworzono z myślą o sterowaniu pracą strony wysokiej i niskiej w trybie wzbogaconym („high- and low-side enhancement-mode”) tranzystorów GaN przy średnim poziomie napięciowym. Zawiera on w sobie także wiele elementów, koniecznych do efektywnego sterowania takimi tranzystorami, co zdejmuje z projektantów sporo pracy, przy dobieraniu komponentów peryferyjnych. Rozwiązania scalone Wprawdzie tego typ sterowniki są znacznym udogodnieniem przy tworzeniu efektywnych układów SMPS, to jednak takie rozwiązania też mają swoje ograniczenia. Przykładem mogą być opóźnienia, jakie powstają w projekcie gotowej aplikacji, wywołane samym układem ścieżek. Sprawia to, że spada precyzja czasowa, przy sterowaniu tranzystorami GaN. Przyszłe scalaki będą musiały radzić sobie także i z tymi problemami: różnorodnością przy prowadzeniu ścieżek i różnorodnością w stosowanych komponentach pasywnych. Wszystkie te elementy są ważne do odpowiedniego zestrojenia sterownika z tranzystorem, dla precyzyjnego i wydajnego sterowania przełącznikiem. Dwa różne urządzenia, mimo że z pozoru identyczne, mogą się różnić w parametrach, a integrowanie tych elementów w każdym scalaku może być nieekonomiczne. Z drugiej jednak strony, rozwiązania integrujące w sobie sterownik, elementy pasywne, a nawet sam tranzystor, w pojedynczym scalaku, pozwolą oszczędzić sporo miejsca na płytce PCB i zapewnić mogą wysoką precyzję, odciążając projektanta aplikacji. Przykład takiego rozwiązania możemy zobaczyć na poniższym rysunku. Często też bowiem razem z redukcją gabarytów idzie chęć upraszczania tworzonych rozwiązań. Mniejszy poziom skomplikowania to mniejsze okazje do usterek. A krótsze ścieżki to też mniejsze indukcyjności pasożytnicze i opóźnienia, co w dużym stopniu wpłynie na dokładność sterowania, a w konsekwencji na wydajność. Ważne jednak, by budować takie układy, które będą w stanie sprostać wysokim częstotliwościom, z jakimi chcielibyśmy przełączać tranzystor FET GaN. Kontroler/regulator musi być w stanie operować z takimi częstotliwościami i zapewniać odpowiednią odpowiedź czasową. Rozdzielczość czasowa musi być na tyle duża, by móc zadbać o odpowiednie ukształtowanie impulsu sterującego, który pozwoli na zminimalizowanie strat w czasie martwym. Na szczęście dzisiejsze cyfrowe kontrolery są w stanie sprostać tym wymaganiom, zapewniając bogate wsparcie i wysoką wydajność przy pracy z sygnałami wejściowymi. Innowacje związane z GaN, odpowiedzią na potrzeby jutra Populacja światowa rośnie, podobnie jak wymagania ludzi związane z elektrycznością i urządzeniami elektrycznymi. Jednocześnie, w trosce o środowisko staramy się ulepszać technologie, oferując więcej przy niższym zużyciu energii. W tym celu potrzebne są nowe, innowacyjne rozwiązania i sięganie po nowoczesne materiały. Jednym z takich materiałów i innowacyjności może być właśnie GaN, stanowiący odpowiedź na wiele wymagań, stawianym nowoczesnym układom, nie tylko zasilającym. Dzięki niemu możliwe będzie zminimalizowanie strat w układach konwersji energii. Firma Texas Instruments, będąca patronem niniejszego artykułu, nieustannie opracowuje, wraz ze swoimi partnerami i naukowcami na całym świecie, nowe rozwiązania związane z technologiami GaN i sposobami na efektywne sterowanie tranzystorami, opartymi o GaN. Wśród tych rozwiązań można znaleźć nowoczesne sterowniki, które mają pomóc w radzeniu sobie z problemami wysokich częstotliwości, w nowoczesnych i wydajnych układach zasilania. Jednocześnie zwraca uwagę na to, by aplikacje były możliwie najprostsze, z minimalną ilością komponentów pasywnych, co pozwoli nie tylko na zmniejszenie gabarytów tworzonego układu, ale zredukuje BOM. Dzięki takim rozwiązaniom, firma TI pragnie popchnąć GaN ku nowym aplikacjom i miejscom, gdzie do tej pory nie myślano o tym, by tego typu rozwiązania zastosować. Jednocześnie, nieustannie mając na uwadze jak wielki potencjał drzemie w GaN i jak wiele, w kwestii wydajności, ta technologia jest w stanie zaoferować. Artykuł uzyskany dzięki uprzejmości: © Texas Instruments