Практический пример

Разработчики постоянно функционирующих источников питания для телекоммуникационных приложений ищут способы сократить эксплуатационные затраты. К настоящему времени изделие с КПД = 97% считается стандартным, а КПД = 98% имеется у устройств премиального класса. Разработчики пытаются найти оптимальную топологию и таким образом выбрать полупроводники, чтобы и каскад ККМ, и высоковольтный DC/DC-каскад обеспечивали требуемую эффективность системы.

В рассматриваемом примере импульсному источнику питания мощностью 3 кВт с пиковым КПД = 98% при 50-% нагрузке требуется каскад ККМ с КПД = 99%. В типовых решениях в таких случаях используются двухтактные топологии – мостовая или полумостовая в режимах непрерывной проводимости (CCM) или граничной проводимости, когда ток имеет треугольную форму (TCM), с двойным повышением или H4/H-мостовая конфигурация. Однако не каждая полупроводниковая технология идеальна при необходимости обеспечить наибольшую эффективность.

Из рисунка 4 видно, что величина эффективности 99,3% GaN-устройств в полномостовой двухтактной конфигурации в режиме CCM достигается в то время, когда эффективность ключа Si Superjunction MOSFET в двухтактной топологии в режиме TCM немногим больше 99%.

Однако новые GaN- и SiC-технологии не работают так же хорошо в других топологиях. Двухтактная полумостовая топология на основе GaN в режиме CCM позволяет сэкономить на двух ключах, но при эффективности около 98,8% она становится непригодной для импульсных источников питания с заданной эффективностью 98%. То же относится к использованию SiC-ключей в двухтактной топологии в режиме CCM, обеспечивающей эффективность около 98,6% (см. рис. 5). Таким образом, несмотря на теоретически высокие показатели GaN- и SiC-технологий, ключи Superjunction Si MOSFET по-прежнему предпочтительнее использовать в тех случаях, когда топологии усиливают преимущества этих устройств. Следует также заметить, что стоимость применения новых технологий в двухтактной конфигурации ККМ в режиме ТСМ – самая высокая по сравнению с кремниевой технологией, и управлять ими намного труднее.

Итак, можно сделать вывод, что кремниевые ключи по-прежнему обладают ценовым преимуществом на компонентном уровне, и, кроме того, у инженеров накоплен немалый опыт работы с этой технологией. Однако при этом нельзя недооценивать сложность проектирования и управления кремниевыми ККМ-конфигурациями. Эти топологии обеспечивают ту же эффективность, что и широкозонные устройства, но требуют больше усилий от разработчиков.

Рассмотрим теперь высоковольтный DC/DC-каскад. И в этом случае необходимо обеспечить самую высокую эффективность 98% при 50-% нагрузке. Это значит, что эффективность рассматриваемого каскада должна как минимум составлять 99,1% при той же нагрузке. Возможно, наиболее простой топологией в данном случае является полумостовой LLC-преобразователь, который хорошо известен разработчикам и годится для использования с Si-, GaN- и SiC-ключами. Однако эта топология не обеспечивает пиковую эффективность импульсных источников питания выше 97% (при нагрузке 50%), что также зависит от эффективности ККМ при той же нагрузке.

Пиковую эффективность величиной 98% при 50 -% нагрузке для импульсного источника питания обеспечивает полумостовой трехфазный LLC-преобразователь, но в таком случае отпадает необходимость в GaN- и SiC-ключах, поскольку они не дают других дополнительных преимуществ. Плотность компоновки можно было бы увеличить путем интеграции трех трансформаторов на один сердечник. Однако это непростая задача, поскольку требуется достаточно сложный анализ магнитных компонентов.

В тех случаях когда у GaN- и SiC- ключей имеются другие преимущества, к которым, например, относится корпусирование, можно использовать полно- или полумостовую двухфазную LLC-топологию. Обе позволяют распределять генерируемое тепло по всей схеме. Преимущество полумостовой топологии заключается в использовании меньшего числа компонентов и в более простом управлении, а полномостовая конфигурация позволяет лучше управлять пульсациями и чуть лучше распределять тепло.

В тех случаях, когда плотность мощности является критически важным требованием, применяется высоковольтный DC/DC-каскад с более высокой коммутационной частотой, что позволяет сократить размеры магнитных компонентов. При этом ухудшается эффективность, хотя и в разной степени в зависимости от того, какие ключи используются, – Si, GaN или SiC. В наибольшей мере ухудшается эффективность кремниевых устройств, поскольку резонансная частота LLC- преобразователя становится равной 300 кГц, а затем 500 кГц; в меньшей степени изменяется эффективность карбидокремниевых ключей. Однако у GaN-ключей – впечатляющая эффективность даже при 500 кГц (см. рис. 6).

Результирующее повышение плотности мощности зависит от сокращенного объема, занимаемого компонентами. SMD- и другие компоненты, а также вспомогательный источник питания не оказывают существенного влияния на этот показатель. Уменьшить занимаемый объем можно, главным образом, за счет трансформаторов, дросселей, электролитических конденсаторов, силовых полупроводников, радиаторов и способов охлаждения. В результате сокращается около 30% занимаемого места, что позволяет увеличить резонансную частоту со 100 до 300 кГц.