STRØMFORSYNING Opnå 80 Plus Titanium-ydelse i strømforsyningen med integreret GaN Ved at integrere drivere i e-mode GaN HEMT-komponenter kan man opnå en ekstremt høj effektivitet uanset belastning af en strømforsyning. Det er især en optimal løsning til serverforsyninger on og turn-off, så det er al- optimerede, integrerede dri- mindelig praksis at separere ver-løsninger som Onsemis modstandene med en diode. NCP58920 eller NCP58921. I mere avancerede kredsløb Det er 650V e-mode GaN- kan der være en aktiv sty- komponenter med henholds- ring af gate-strømmen (med vis 150mΩ og 50mΩ on-mod- en spændingsbegrænsning). stande, og de er egnede til Men det er meget vigtigt at alle almindelige konverterto- minimere og balancere et- pologier inklusive TPPFC, selv hvert propagation-delay for om de også optræder særde- at få det maksimale udbytte les godt i ”hard-switchede” af GaN-switchens hastighed. applikationer, hvor GaN har En e-mode GaN HEMT har en sine mest udtalte fordele. tærskelværdi på rundt regnet I en typisk prisbillig TPPFC 1,6V, hvorved der er mulig- + LLC-konverter kan et par hed for, at en transient under NCP58921-komponenter yde switching vil kunne give et mere end 250W på sit DC- effekttab, da komponenten output med tæt på 95 pro- leder sporadisk, og et dårligt cent effektivitet. Med en ser- timer ”shoot-through” kan verstrømforsyning optimeret opstå med skade på kompo- med hensyn til ledetilstand nenten til følge. Det kan ske og magnetiske komponenter ved injection af en ladning kan 80+ Titanium-målet sag- ind i gaten gennem gate tens realiseres. Diagram over et serverstrømforsyningsdesign med et totempæl PFC-trin og en PSFB-fuldbro med GaN-switche. drain eller Miller-kapacitan- N C P 5 8 9 2 x - k o m p o n e n t e r sen, hvis der optræder en høj leveres i termisk højeffek- Af Yong Ang, business unit strategic marketing director, Onsemi hvilket er det strengeste ni- veau overhovedet og sand- synligvis kun muligt at reali- sere med ganske store strøm- forsyninger. design (PSFB) – og et syn- kront ensrettet output-trin. Fordeling af tabene over strømforsyningen giver ca. to procent tab for hvert trin, Gate driver- udfordringen Den mest udtalte forskel mellem e-GaN HEMT-kom- ponenter og siliciumbase- dV/dt på drain. Tilsvarende vil enhver source-induktans, som er almindeligt i et gate driver-kredsløb, kunne give en spændingstransient, der tive PQFN 8x8-huse med en fritlagt pad med 0,4°C/W junction-to-board termisk modstand. Forsyningsspæn- dingen til driver-sektioner hvilket giver en god balance rede switche er kravet om en vil modvirke gate turn-off- er ukritisk, 8,5V min. til 20V Effektiviteten af driverne har aldrig været et mere afgø- rende mål for producenter af Er GaN (galliumnitrid) den ideelle switch? Selv om siliciumbaserede mellem de switchende og statiske tab for GaN-switche- ne. meget specifik gate driver. Input-kapacitansen (CISS) er generelt lav, da det er en spændingen, så der opstår en høj drain source turn-off di/dt. max., da komponenten inde- holder en LDO for GaN HEMT- driveren med en 6V clamp og strømforsyninger end nu. Det halvledere er blevet drama- En forøgelse af die-arealet vil parallel kombination af gate For at imødegå disse effekter en 5V LDO til en ekstern digi- betyder, at ægte ”win-wins” i tisk bedre over de seneste år, mindske de statiske tab, men source og gate drain-kapaci- er dV/dt og di/dt styret i de- tal isolatorforsyning, hvis det designet ikke bare mindsker så medfører kravene i 80 Plus, de øger også komponent- tanserne, der begge er lave. signet til at være lavere end er påkrævet. driftsomkostningerne, men at de nødvendige teknologier kapacitansen, som – i sidste Men da peak gate-strømmen det maksimalt mulige. Det GaN-komponenter giver også spildenergien i form af skal endnu et skridt op – især ende – vil øge den nødven- kan være i omegnen af 1A, så medvirker til en reduceret switche med den højeste varme – som jo ellers kræver for Titanium-klassificeringen. dige ladning til udførelse af kræves det, at gate driveren støj, og en Kelvin-forbindelse ydelse og ekstremt lave sta- dyre termiske management- Det kræver WBG-teknologier hver switchingcyklus. Det har en lav source-kapacitans. kan etableres til source for at tiske og dynamiske tab. Med løsninger og øger både vægt (Wide-BandGap) som SiC (si- betyder, at en reduktion af de I virkeligheden bliver der til- adskille gate driver-loopen. driver kapslet med i switchen og pris for en forsyning. Bedre liciumcarbid) og GaN, som er statiske tab vil øge de dyna- føjet nogen modstand for er det enkelt at implementere effektivitet og færre varme- tab kræver også mindre plads rundt om forsyningen og eli- ved at blive mainstream, og som giver designs med effek- tiviteter helt op til 99 procent. miske switchingtab, men den effekt er ganske beskeden for GaN-komponenter og bety- at styre drains dV/dt, hvilket eliminerer spændings-overs- hoot og/eller oscillering. Off-the-shelf integreret GaN-driver Den bedste – og enkleste – driverne i højtydende effekt- konvertere, som kan opfylde selv de strengeste effektivi- minerer i bedste fald støjen SiC er i dag nok den mest deligt mindre end for silici- Den optimale gate-modstand måde at styre GaN-kompo- tetsspecifikationer som 80 fra blæsere. etablerede WBG-teknologi, umbaserede komponenter. er ikke den samme for turn- nenter på er at bruge forud Plus Titanium. Tidligere blev strømforsynin- men GaN giver en højere gernes effektivitet ”bare” be- ydelse med lavere on-mod- skrevet med et enkelt tal for stand og hurtigere switching, den bedst mulige effektivitet. hvilket af nogle betegnes som Men i takt med at strømfor- ”den ideelle switch”. GaN- syninger anvendes ved varie- baserede High Electron Mo- rende belastninger, bliver det bility Transistors (HEMT) har stadigt sværere at retfærdig- helt klart deres berettigelse i gøre dette tal for ”bedst mu- højeffektive applikationer. De lige effektivitet” – ikke mindst enkelte GaN-switche er kon- hvis forsyningen det meste af figurerede som ”normally- tiden arbejder ved lavere be- on”, men forbedringer eller lastningsgrader. ”e-mode”-typer er nu blevet ”80 Plus” er en frivillig stan- almindelige med deres ”off”, dard, der er udviklet for at når der påtrykker en gate imødekomme problemet om- source-spænding på nul volt. kring effekt over hele belast- Det har den fordel, at GaN- ningsområdet. Standarden switche fungerer på samme opererer med seks niveauer måde som silicium-MOSFETs fra ”basic” til ”titanium” for – i hvert fald til at starte med. minimumeffektiviteter ved Server-PSU’er er blandt de 20 procent, 50 procent og 100 sværeste applikationer med procent belastning med 80 kun fire procent acceptable procent effektivitet som det tab, hvilket betyder, at der lavest accepterede niveau. som regel kræves et totem- Titanium-niveauet er det hø- pæl PFC (TPPFC)-trin kombi- jeste, og her optræder kravet neret med en resonant DC/ om en 90 procent effektivitet DC-konverter – som et LLC- ved 10 procent belastning, eller faseskiftende fuldbro- Strømforsyning med brug af Onsemis NCP58921-integrerede GaN+driver og med et peak på en 95 procent effektivitet. 20 nr. 2 | februar 2023 -
Download PDF fil
Cookiepolitik
Se arkivet med udgivelser af Aktuel Elektronik her
TechMedias mange andre fagblade kan læses her