В последние несколько лет все более широкое распространение в силовой электронике получают галлий-нитридные (GaN) транзисторы. Благодаря своим выдающимся характеристикам, эти транзисторы играют все большую роль в миниатюрных импульсных преобразователях разных типов, обладающих очень высокой плотностью мощности, нередко превышающей 100 Ватт/см3. КПД преобразователей, основанных на GaN-транзисторах может достигать 99.5%. За счет расширения области рабочих частот в сторону единиц МГц, магнитные компоненты (дроссели, трансформаторы) также уменьшаются в размерах в разы.
Однако, разработчики преобразовательной техники сталкиваются с многочисленными сложностями с имплементацией практических конструкций на GaN-транзисторах. Наилучшие представители поставляются в бескорпусном исполнении с шариковыми выводами (WLCSP):
Драйверы управления GaN-транзисторами также весьма миниатюрны.
Учитывая значения действующих токов и напряжений относительно размеров силовых элементов, становится понятным, что необходим новый подход к конструированию устройства, в части топологии печатной платы, теплоотвода и обеспечению области безопасной работы во всех режимах.
В результате поисков технического решения появилась идея создания интеллектуального силового модуля со структурой «двойной полумост» на основе GaN-транзисторов со следующими параметрами:
— Напряжение питания до 80 В
— Выходной ток до 30 А
— Рабочая частота до 2 МГц
— Скорость нарастания на выходах не менее 50 В/нс
— «Мертвое время» в полумосте 2-3 нс
— Диагностика и установка параметров по двухпроводному последовательному интерфейсу (ДПИ)
— Задержка распространения сигнала от входа до выхода менее 30 нс
Подобный интеллектуальный модуль ускорит разработку различных узлов на его базе, позволяя разработчикам сосредоточиться на сути проектов.
В модуле используется недорогая микросхема программируемой логики (ПЛИС), и сделано это неспроста. Основной задачей ПЛИС является поддержание безопасных режимов работы силовых ключей и выходного дросселя вне зависимости от характера входного сигнала, в частности, ограничение индекса модуляции и ограничение минимальной входной частоты управляющих сигналов. Другими словами, при падении частоты входного сигнала ниже установленной, ПЛИС начинает вырабатывать дополнительные импульсы, предотвращающие срабатывание UVLO-детекторов из-за разряда бутстрепных конденсаторов верхнего плеча в драйверах полумостов, а через некоторое время срабатывает программируемый таймер, и ПЛИС переводит модуль в режим аварии. Также ограничивается минимально возможная длина импульсов для ограничения среднего тока заряда бутстрепных конденсаторов. При соответствии параметров входного сигнала введенным ограничениям, сигнал со входов передается на драйверы полумостов асинхронно, с задержкой менее 5 нс. Все ограничения и таймеры программируются через ДПИ и могут быть деактивированы пользователем.
Проблема теплоотвода решается комплексным способом. Применена многослойная печатная плата с толстой фольгой (70мкм на внешних слоях и 140мкм на внутренних слоях), переходные отверстия заполнены медью. Модуль размещен в алюминиевом корпусе размером 40 х 25 х 11 мм, изготовленном на ЧПУ, на последнем этапе сборки выполняется вакуумная заливка специализированным двухкомпонентным компаундом, обладающим очень высокой теплопроводностью.
В разработке находится трехканальный вариант силового модуля со схожими параметрами для применения в трехфазных приводах, а также усложненная версия двухканального модуля с возможностью программирования мертвого времени (dead time), режимом независимого управления всеми ключами и раздельным питанием полумостов, что позволит построить на базе модуля преобразователи с топологиями buck-boost или LLC.
На верхнюю плоскость корпуса выведен трехцветный многорежимный индикатор режимов работы. Отображается наличие и характер ошибок и причина аварийного режима. При возникновении ошибок, выходной сигнал ERR становится активным и код ошибки можно считать через двухпроводный интерфейс. При срабатывании защиты по току необходимо переинициализировать интеллектуальный модуль внешним сигналом.
При отладке использовался многоканальный цифровой запоминающий осциллограф с полосой пропускания 2 ГГц, дополненный активными дифференциальными щупами для нахождения оптимальных режимов затворных цепей и отладки алгоритмов в ПЛИС, и векторный анализатор цепей, для подбора оптимальных блокировочных конденсаторов и получения необходимого значения импеданса шины силового питания.