موازية GaN HEMTs – أخبار إلكترونيات الطاقة

تزداد شعبية ترانزستورات نيتريد الغاليوم عالية الحركة (HEMTs) في عالم الإلكترونيات نظرًا لأدائها المتفوق على الترانزستورات التقليدية القائمة على السيليكون. يمكن أن تعمل GaN HEMTs بترددات تحويل أعلى ، مما يمكّن الصناعات من تقليل حجم الإلكترونيات المستخدمة في النظام. يساعدهم الأداء الحراري الفائق في التطبيقات عالية الطاقة مثل مجموعات نقل الحركة للمركبات الكهربائية وخطوط النقل ومحركات المحركات.

يجب أن تكون أجهزة GaN HEMT موازية في العديد من التطبيقات لزيادة قدرات الطاقة والكفاءة التشغيلية. لكن موازنتها تأتي مع تحدياتها ، مثل التوزيع غير المتوازن للخسائر بين المفاتيح ، مما قد يؤدي إلى زيادة درجة الحرارة فوق الحدود الآمنة. لموازاة أي مفتاحين ، فإن مقاومة التصريف إلى المصدر (R_{DS (تشغيل)}) من المفاتيح مطابقة بدقة لضمان التوزيع المتساوي للحمل بين المفاتيح. يمكن أن يؤدي أي خلل في التوازن إلى اهتزازات عالية التردد بين المفاتيح وبالتالي تدميرها.

في حالة GaN HEMTs ، يمثل تردد التبديل الأعلى مقارنةً بدوائر MOSFET السليكونية تحديًا أكبر للباحثين في موازاة هذه المفاتيح. نظرًا للتشغيل الفائق السرعة ، فإن GaN HEMTs حساسة جدًا لطفيليات الدوائر ، وأي اختلال بين هذه المفاتيح يمكن أن يؤدي إلى فقدان الكفاءة ويزيد من فرص تلف المفاتيح. أثبتت العديد من الأبحاث أنه يمكن تحقيق الانتقال الثابت الثابت وإيقاف التشغيل دون إبطاء أو خفض HEMTs GaN.

معلمة أخرى مهمة أثناء موازاة HEMTs GaN هي ضمان توزيع الخسارة الدقيق. تبحث هذه المقالة في أنواع الخسائر وطرق ضمان المراقبة والتحليل المناسبين لتوزيع الخسارة في HEMTs المتوازية من GaN. يمكن قراءة المقال الأصلي هنا.

خسائر التوزيع في GaN HEMTs

لقد تم تطوير طرق قياس الخسائر في دوائر السيليكون MOSFET و IGBT بشكل جيد ، ولكن مع مطالبة الصناعة بأجهزة أسرع وأكثر كفاءة ، تحول التركيز الآن إلى الأجهزة ذات فجوة النطاق العريض مثل GaN. تمامًا مثل الأجهزة القائمة على السيليكون ، يمكن تقسيم الخسائر في GaN إلى فئتين: الخسائر الثابتة أو الخسائر في التوصيل وخسائر التحويل. على الرغم من أن التصنيف متشابه ، إلا أن نظرة فاحصة تظهر أن خسائر التوزيع في حالة GaN تختلف عن تلك الخاصة بـ MOSFET من السيليكون.

في حالة GaN HEMTs ، تشمل الخسائر الساكنة أو التوصيل R_{DS (تشغيل)} خسارة عند 25 درجة مئوية ، ص_{DS (تشغيل)} خسارة من تأثير التسخين ، R_{DS (تشغيل)} الخسارة من تأثير الملاءمة (المعروف أيضًا باسم R الديناميكي_{DS (تشغيل)} الخسارة) وخسارة الوقت المحدد. تشتمل خسارة التبديل على تشغيل / إيقاف تشغيل خسارة التداخل VI و E_qoss و هـ_أوس خسائر. نوع آخر من الخسارة التي لوحظت عند التردد العالي جدًا للعملية هو C_أوس فقدان التباطؤ في السعة ، والذي يُؤخذ في الاعتبار لنطاق الترددات الراديوية من التطبيقات. تحدث خسارة التداخل VI بسبب تداخل التيار والجهد أثناء عمليات التحويل. ه_أوس هي خسارة شحن السعة ، أي الطاقة المفقودة في شحن السعة الطفيلية للمفتاح. ه_qoss هي الخسارة الناتجة عن تيار شحن المكثف للمفتاح المعاكس في تكوين نصف جسر من HEMTs.

في حين تم إجراء قدر كبير من البحث حول تأثير الخسائر الثابتة على موازاة HEMTs ، تركز هذه المقالة على تقييم خسائر التبديل التي يمكن أن تكون عالية مثل الخسائر الثابتة في تطبيقات الجهد العالي والتردد العالي.

نماذج تحليلية وتجارب لتقدير الخسائر

يعد النموذج الخطي متعدد التعريف أحد أكثر النماذج شيوعًا لتحليل وتقدير خسائر الترانزستور. يعتبر النموذج الدائرة فقط من حيث سعة الإدخال ومقاومة البوابة الخارجية ويتجاهل المعلمات الطفيلية والاعتماد على درجة الحرارة. وبالتالي ، لا يمكن استخدامه لتحليل خسائر التبديل في تكوين GaN المتوازي. عمل العديد من الباحثين على تعديل النموذج الخطي متعدد التعريف لمراعاة المزيد من الديناميكيات في الدائرة. لمراقبة خسائر التبديل بشكل فعال ، تم تعديل النموذج الخطي متعدد التعريف ليشمل العناصر الطفيلية وتأثيرات الترانزستورات المتزامنة.

لمعرفة تأثير درجة الحرارة على الفقد ، يتم رسم تباين جهد العتبة والموصلية التحويلية مع تغير في درجة حرارة الوصلة للتوازي مع GS66516B GaN HEMT. لوحظ أن جهد العتبة ثابت تقريبًا مع تغيرات في درجة الحرارة ، لكن الموصلية التبادلية كان لها اعتماد سلبي على درجة الحرارة. ينتج عن ذلك آلية موازنة تلقائية لدرجات الحرارة والتقاطع: عندما تزداد درجة حرارة الوصلة ، تنخفض خسائر التبديل بشكل كبير. في MOSFETs المتوازية القائمة على السيليكون ، على عكس GaN ، تزداد خسائر التبديل مع زيادة درجة حرارة الوصلة ، مما قد يؤدي إلى توزيع غير متوازن لدرجة الحرارة أو حتى هروب حراري.

للتحقق تجريبيًا من آلية موازنة درجة الحرارة والتقاطع الأوتوماتيكية المذكورة أعلاه ، يتم قياس درجة حرارة الوصلة الخاصة بـ GaN HEMTs المتوازية. تم إجراء التجربة باستخدام وحدة طاقة نصف جسر 240-A / 650-V مع ركيزة IMS مبنية باستخدام GaN HEMTs تم اختيارها عشوائيًا. أظهرت محاكاة الطاقة الكاملة للدائرة عند ترددات تبديل مختلفة موازنة ممتازة لدرجات حرارة الوصلات من أجل GaN HEMTs المتوازية.

مرجع

¹Lu، J.، Hou، R.، & Chen، D. (2018). “توزيع الخسارة بين HEMTs المتوازية من GaN.” 2018 مؤتمر ومعرض تحويل الطاقة IEEE (ECCE) ، ص 1914-1919.

قم بزيارة الكتاب الإلكتروني للحصول على المقالة كاملة