Tidigare användes en enda siffra för effektiviteten för strömförsökningsprodukten, det var bästa möjliga effektivitet. Men i många applikationer har nätaggregatet en annan belastningsnivå och den bästa effektiviteten uppnåddes sällan. I synnerhet var detta ett problem när nätaggregatet arbetade på lägre effektnivåer.

80 Plus är en frivillig standard utvecklad för att ta itu med frågan om effektiv prestanda över hela arbetsområdet. Bestående av sex nivåer från ”bas” till ”titan” är minimiverkningsgrader vid 20 procents, 50 procents och 100 procents belastning fastställda med 80 procent som den lägsta tillåtna nivån.

Titannivån är den högsta och här finns ytterligare ett krav på att uppnå 90 procents effektivitet vid 10 procents belastning, vilket gör detta till den strängaste och sannolikt endast uppnås med kraftmoduler för högre effekt.

Galliumnitrid (GaN) – den ideala switchen?
Medan kiselbaserade halvledarkomponenter har förbättrats avsevärt under de senaste åren, innebär de tunga kraven från 80 Plus att ny teknik behövs för att uppnå de högsta nivåerna – särskilt Titan. Material med brett bandgap (WBG) inklusive kiselkarbid (SiC) och Galliumnitrid (GaN) blir allt vanligare, vilket gör att det går att skapa konstruktioner med en effektivitet så hög som 99 procent.

SiC kan vara mer etablerad men GaN erbjuder ännu bättre prestanda med lägre på-motstånd och snabbare switchning. Vissa beskriver det som den ”ideala switchen”. GaN-baserade HEMT-transistorer har helt klart många fördelar i utmanande tillämpningar. De enklaste GaN-switcharna är konfigurerade som normalt på (ledande), men förbättrade typer (e-mode) är nu allmänt tillgängliga som är avstängda när spänningen över gate-source är noll. Detta har fördelen av de då fungerar på liknande sätt som kisel-MOSFET, åtminstone till en början.

Kraftaggregat till servrar är en av de tuffaste applikationerna med endast 4 procents tillåtna förluster. Normalt används ett totempole-PFC (TPPFC)-steg kombinerat med en resonansomvandlare (DC-DC) som LLC eller phase-shift full-bridge (PSFB) och ett synkront likriktande slutsteg.

Att dela förlusterna i hela kraftaggregatet ger en siffra på 2 procents förluster för varje steg, vilket innebär att en bra balans måste göras mellan switchning och statiska förluster i GaN-switcharna.

En ökning av transistorernas area kommer att minska statiska förluster, men detta ökar också enhetens kapacitans, vilket i sin tur ökar laddningen som krävs vid varje switchcykel. Detta innebär att en minskning av statiska förluster kommer att leda till en ökning av switchande (dynamiska) förluster, även om effekten är ganska liten i GaN-transistorer och betydligt bättre än med kiselbaserade transistorer.

Utmaningen med gatedrivningen
Den största skillnaden mellan e-GaN HEMT:ar och kiselbaserade dito är kravet på en mycket specifik drivning av gaten. Ingångskapacitansen (CISS) är generellt låg eftersom den är en parallell kombination av kapacitansen från gate-source och gate-drain. Båda dessa är låga. Emellertid kan den erforderliga toppstyrströmmen vara i storleksordningen 1 A, vilket kräver att gatedrivningen har låg sourceimpedans. I verklig­heten läggs en del sourceresistans till för att styra dV/dt i drain, och därigenom eliminera överspänningar och eller oscillation.

Det optimala gateresistansen är inte densamma vid tillslag som vid frånslag, så det är vanligt att använda separata motstånd med en diod. I mer sofistikerade lösningar kan det finnas aktiv styrning av gateströmmen (med en spänningsgräns). Det är dock mycket viktigt att minimera och balansera eventuella utbredningsfördröjningar för att få maximal nytta av hastigheten i galliumnitriden.

e-mode HEMT:ar i galliumnitrid har en tröskelspänning på cirka 1,6 V vilket innebär att en transient under switchning kan orsaka strömavbrott eftersom enheten leder felaktigt. Med dålig timing kan så kallad ”shoot-through” inträffa vilket skadar komponenten. Detta kan uppstå från injicering av laddning i gaten genom gate-drain eller så kallad Miller-kapacitans, om det finns högt dV/dt i drain. På liknande sätt kan varje induktans i sourcen som är gemensam för grinddrivkretsen orsaka en spänningstransient som motverkar gatens avstängningsspänning, när det finns hög drain-source-avstängning, di/dt.

För att motverka dessa effekter styrs dV/dt och di/dt för att vara lägre än det maximala möjliga. Detta bidrar till minskade störningar (EMI), och man får en Kelvin-anslutning till source för att separera gate-drivslingan.

Färdiga och integrerade drivningar för GaN

Ett enkelt sätt att driva GaN-transistorer är att använda en föroptimerad och integrerad drivare som NCP58920 eller NCP58921 från Onsemi. Dessa är 650 V e-mode GaN-enheter med 150 mΩ och 50 mΩ on-resistans. De passar för alla vanliga switchtopologier, inklusive TPPFC, även om de presterar särskilt bra i ”hårdswitchade” applikationer där GaN ger en betydande fördel.

I en typisk kostnadsoptimerad omvandlare av typen TPPFC + LLC kan ett par NCP58921-enheter ha mer än 250 W DC-effekt med nära 95 procents effektivitet. Men i en servertillämpning, med ett optimerat ledningsläge och magnetik, kan målet för 80+ Titanium uppnås.

NCP5892x kommer i en termiskt effektiv PQFN kapsling (8x8) med en exponerad yta med en termisk resistans på 0,4°C/W mellan komponent och kort. Matningsspänningen till drivsektionen är okritisk, minst 8,5 V och 20 V maximalt, eftersom enheten har en LDO för GaN HEMT-drivenheten med en 6 V begränsning och en 5 V LDO för en extern digital isolatormatning om så krävs.

Slutsats
GaN-komponenter går att switcha snabbast av alla kraftkomponenter samtidigt som de har extremt låga statiska och dynamiska förluster. När drivaren finns i samma kapsel är de enkla att implementera i effektiva kraft­omvandlare som kan uppfylla de strängaste effektivitetsspecifikationerna som 80 Plus Titanium.