Высоковольтные кремниевые диоды имеют низкое падение напряжения прямой проводимости, но вызывают значительные динамические потери в силовых преобразователях из-за их обратного восстановления. SiC-диоды имеют незначительное обратное восстановление по сравнению с кремниевыми, но демонстрируют более высокую объемную емкость и большее падение проводимости в прямом направлении. Поскольку технология арсенида галлия обладает полезными свойствами кремния и карбида кремния, в этой статье рассматривается сравнение производительности полного моста со сдвигом фазы (PSFB) мощностью 10 кВт и частотой 100 кГц. Сравнительный анализ GaAs, SiC и сверхбыстрых кремниевых диодов в этом приложении показывает, что GaAs-диоды могут достичь сопоставимой общей эффективности с SiC при значительно меньших затратах.
Почему стоит выбрать арсенид галлия?
расходы -
Затраты на сырье для изготовления пластин для GaAs-диодов и, по сути, более низкие затраты на производственный процесс представляют собой значительную возможность достичь характеристик SiC по значительно более низким ценам. Типичная стоимость упаковки арсенид-галлиевого диода составляет от 50% до 70% стоимости сопоставимых SiC-устройств.
Доступность -
Арсенид галлия как материал уже широко используется в радиочастотных приложениях и является вторым наиболее часто используемым полупроводниковым материалом в мире. Благодаря широкому использованию, он доступен из нескольких источников, а процесс его производства аналогичен производству кремния. Эти факторы поддерживают низкую стоимость технологии.
Мягкая передача или жесткая передача?
Производительность SiC значительно улучшилась по сравнению с обычным кремнием с точки зрения характеристик переключения диодов и транзисторов, но тенденция последних лет заключалась в использовании топологий с мягким переключением для достижения высочайшего уровня производительности во всем преобразователе. Эти топологии с мягким переключением идеально подходят для диодов GaAs, позволяя разработчикам получить выгоду от более низких потерь проводимости, чем у SiC, без дополнительных динамических потерь, которые могут возникнуть с обычным кремнием.
Рисунок 1: Сравнение опорных диодов
Для заданной выходной мощности топологии с мягким переключением обычно работают при более высоких среднеквадратичных токах в силовых полупроводниках из-за циклической резонансной энергии, необходимой для обеспечения перехода при нулевом напряжении. Такие технологии, как арсенид галлия с более низким прямым падением напряжения, могут снизить потери, вызванные этой циркулирующей энергией, и в полной мере использовать преимущества работы переключателя при нулевом напряжении.
Потери мощности из-за диодов
«Идеальный» диод будет выполнять свою функцию без каких-либо потерь, но любой реальный диод (включая устройства с широкой запрещенной зоной) будет отклоняться от этого идеала, при этом различные аспекты его фактического поведения вызывают потери мощности. В большинстве преобразователей вклад потерь, вызванных диодами вторичной стороны, можно разделить на одну из трех основных областей:
Ненулевое прямое падение напряжения, что приводит к потерям проводимости, когда диод проводит ток. Этот механизм потерь зависит от топологии, но обычно не является функцией частоты.
Потери из-за внутренней емкости диода, чем выше емкость, тем выше потери. Это зависит от топологии/частоты, и результирующие потери налагаются на другие компоненты преобразователя.
Потери из-за эффектов обратного восстановления, которые зависят от топологии/частоты. Эти потери реализуются в диодах и других компонентах преобразователя.
Относительные уровни указанных выше типов потерь зависят от индивидуальных характеристик диода, выбора топологии и рабочей частоты. Потери прямой проводимости относительно легко рассчитать, тогда как потери, вызванные емкостью диода и Trr, сложнее.
Сравнение поведения диодов
Три диода сравнивались во время эталонного теста, основные результаты сравнения показаны на рисунке 1.
Сравнение данных показывает, что и кремний, и арсенид галлия работают лучше с точки зрения характеристик прямой проводимости, особенно при высоких температурах перехода. С точки зрения переключения SiC имеет значительно более высокую емкость, но практически нулевое время обратного восстановления. Проблема в том, что для наших 10кВт
Как эти характеристики диода повлияют на общую эффективность в приложениях PSFB?
Потери PSFB из-за диода
На рисунке 2 показана типичная топология PSFB с диодами, расположенными в позициях от D1 до D4.
PSFB работает, управляя парами транзисторов Q1/Q3 и Q2/Q4 с рабочим циклом 50% и управляя потоком мощности, управляя их относительными фазами. Эта операция позволяет устройствам первичной стороны Q1-Q4
Работает с переключением при нулевом напряжении в условиях широкой нагрузки.
Объединенная емкость D1-D4 добавляется к распределенной емкости силового трансформатора и печатной платы, создавая резонансное напряжение на D1-D4 во время коммутационных переходов.
Рисунок 2: Топология PSFB
Чтобы предотвратить повреждение D1-D4, используйте демпфер, чтобы ограничить резонансное напряжение до приемлемого уровня. В PSFB количественная оценка энергии, поглощаемой активным буфером, является простым способом измерения влияния динамических характеристик (емкости и Trr). В сочетании со знанием общей эффективности преобразователя и демпферного рассеяния в этом приложении можно точно оценить поведение диода.
Результаты тестов
Прототип преобразователя рассчитан на максимальную выходную характеристику 500 В/30 А/10 кВт. На рисунке 3 показан пример схемы преобразователя, работающего от входного напряжения 600 В при выходном напряжении 330 В/20 А. Синяя кривая (C3) на графике осциллографа показывает напряжение, измеренное на активном буфере. Поскольку мощность ограничения является прямой функцией напряжения ограничения, активный буфер предназначен для работы с собственным контуром управления. Чтобы позволить пользователю установите напряжение зажима на фиксированный уровень. В примере графика на рисунке 3 это 800 В.
Используя параметры конструкции, подробно описанные на рисунке 2, можно получить выходную кривую, как показано на рисунке 4, где цветная область показывает область появления ZVS первичного МОП-транзистора, а контур показывает необходимый фазовый сдвиг. Тестирование проводилось с использованием нагрузки постоянного тока при фиксированном входном и выходном напряжении 600 В постоянного тока со сдвигом фаз и последующим изменением выходного напряжения. КПД и энергопотребление буфера измерялись в зависимости от выходного напряжения с выходными токами 10 А, 15 А и 20 А.
Из результатов, представленных на рисунке 5, можно сделать несколько выводов:
Общий КПД преобразователей решений на основе GaAs и SiC практически одинаков, особенно при более высоких токах нагрузки. При более высоких выходных токах немного более высокие буферные потери из-за ограниченного Trr GaAs компенсируются меньшими потерями проводимости, обеспечивая тот же общий КПД.
Эффективность сверхбыстрого кремния в этом приложении очень низкая из-за высокого уровня рассеивания буфера (т.е. значительных потерь, связанных с Trr). Сверхбыстрое тестирование кремния ограничено низким энергопотреблением из-за высоких измеренных уровней мощности буфера.
Буферные мощности GaAs и SiC демонстрируют схожее поведение, указывая на то, что дополнительные потери, вызванные ограниченным Trr GaAs, в значительной степени компенсируются более высокой собственной емкостью устройств SiC.
Рисунок 3: Форма рабочего сигнала преобразователя PSFB (C1/C2 — напряжение, создаваемое парами Q1/Q3 и Q2/Q4, C4 — напряжение на выходном выпрямителе D1-D4, C3 — L2
ток в)
Рисунок 4: Диаграмма выходного VI PSFB с областью ZVS и профилем постоянного фазового сдвига.
На основе этой эмпирической работы была разработана аналитическая модель для моделирования емкости диода и снабберных потерь Trr. Анализ показывает, что в течение периода Trr в резонансный контур загружается дополнительная энергия, что приводит к дополнительной диссипации зажима. Следовательно, для данной рабочей точки мощность демпфера является функцией емкости диода и Trr. Для PSFB, подробно описанного в этой статье, можно использовать аналитическую модель для прогнозирования емкости диода и снабберных потерь в Trr для рабочей точки выхода 500 В/20 А. Это позволяет сравнить поведение трех типов диодов, как показано на рисунке 6.
На рис. 6 показано, что мощность буфера примерно одинакова для GaAs и SiC, при этом нулевой Trr в SiC компенсируется его более высокой собственной емкостью. В случае сверхбыстрого кремния преимущество низкой емкости диода перевешивается более высокими уровнями мощности из-за длительного обратного восстановления. Низкая собственная емкость арсенида галлия и
Trr обеспечивает динамические характеристики, подобные SiC, с дополнительным преимуществом в виде снижения потерь прямой проводимости.
Рисунок 5. Тесты эффективности PSFB (слева) и рассеивания буфера (справа) для GaAs, SiC и сверхбыстрого кремния.
Рисунок 6. Буферная мощность в зависимости от trr диода и емкости для PSFB, работающего при выходном напряжении 500 В/20 А.
В прототипе PSFB общая нагрузочная емкость трансформатора, выходного дросселя и печатной платы составляет 300 пФ. Данные, показанные на рисунке 6, во всех случаях включают базовую емкость, а общая емкость диода основана на вкладе четырех диодов.
в заключение
При рассмотрении общей эффективности преобразователя важно понимать все основные механизмы потерь, в том числе вызванные динамикой диодов. Исследования показывают низкое прямое падение напряжения, низкую емкость и низкий/стабильный Trr в GaAs-диодах.
Эта комбинация обеспечивает превосходное сочетание функций для приложений с мягким переключением, таких как полные мосты со сдвигом фазы. Высокопроизводительная силовая электроника в быстрорастущих приложениях, таких как зарядка электромобилей, может значительно выиграть от возможностей снижения затрат на уровне системы, обеспечиваемых арсенид-галлиевыми диодами. Детальное понимание поведения прямой проводимости и динамических потерь, вызываемых диодами в реальных приложениях, дает разработчикам инструменты для оптимизации производительности и стоимости.