Was kommt als nächstes?

WAS PASSIERT ALS NÄCHSTES ? (March 2019).

Anonim

eGaN-FETs ermöglichen einen Sprung in der DC-Transformatorfähigkeit

Von John Glaser,
Direktor für Anwendungstechnik,
Effiziente Energieumwandlung,
www.epc-co.com

Eine der Schlüsseltechnologien, die die Einführung von Elektrizität als vorherrschende und vielseitigste Energieform der Menschheit vorantrieben, war der Transformator. Dieses einfache Gerät ermöglichte die effiziente Umwandlung von Spannungen, Strömen und Impedanzen, was wiederum die Elektrifizierung der Welt und aller elektrischen und elektronischen Geräte ermöglichte. Da die frühen Transformatoren AC-Geräte waren, haben sie die Welt in Richtung AC-Stromerzeugung, -verteilung und -nutzung getrieben, obwohl Thomas Edison und seine besten Bemühungen DC über AC fördern (1).

Heute leben wir jedoch in einer elektronischen Welt und einer digitalen elektronischen Welt. Diese digitale elektronische Welt ist eine DC-Welt. Diese Welt wird durch eine Schaltnetzteilelektronik ermöglicht, die die gleichen Vorteile wie der ursprüngliche Wechselstromtransformator für die DC-Welt bietet, sowie neue wie Regulierung und Steuerung. Es gibt jedoch eine besondere Inkarnation eines DC-DC-Wandlers, der sehr genau zu seinem AC-Transformator-Vorfahren ist, nämlich dem DC-Transformator, auf den oft von DCX (2) Bezug genommen wird. Der Begriff DCX bezieht sich typischerweise auf einen ungeregelten DC-DC-Wandler, der Spannung und Strom mit einem festen Umwandlungsverhältnis genau wie ein Wechselstromtransformator umwandelt. Der DCX ist besonders in verteilten DC-Stromversorgungssystemen von Rechenzentren und Rechenfarmen nützlich.

In diesem Artikel sehen wir, wie die Revolution in Halbleitern mit großer Bandlücke in Form von eGaN-FETs einen Sprung in der DCX-Fähigkeit mit einem Beispiel eines hart geschalteten 4: 1 DCX mit 700 W mit einer Nenneingangsspannung von 48 V und 12 V-Ausgabe in einem 1/8 Backsteinformat.

Was ist ein DCX?

Ein DCX besteht im Allgemeinen aus einem Inverter, einem Wechselstromtransformator und einem Gleichrichter, wie in 1 gezeigt . Ein moderner DCX verwendet Halbleiterschalter, um den Wechselrichter und den Gleichrichter zu bilden, und er läuft mit hoher Frequenz, um die Größe des Transformators zu minimieren. Wenn der Gleichrichter mit aktiven Schaltern (Synchrongleichrichtern oder SRs) implementiert ist, kann der DCX in der Lage sein, einen bidirektionalen Leistungsfluss zu erzeugen, und die Rollen des Inverters und des Gleichrichters können ausgetauscht werden (3). Die Schalter werden derart gesteuert, dass der DCX den Standard-Transformatorgleichungen so genau wie möglich gehorcht, d.h.

V IN = NV OUT

NI IN = I OUT

Beachten Sie, dass ein DCX keine Regelung als Teil des normalen Betriebs bietet. Dies ermöglicht eine optimale Optimierung der Schaltung für maximale Effizienz und Leistungsdichte. Von einem modernen DCX wird häufig erwartet, dass es einige zusätzliche Merkmale bereitstellt, die eine Überstromerkennung, eine Strombegrenzung, eine Aktivierung / Deaktivierung der Leistungssteuerung sowie eine Mess- und Diagnosefähigkeit umfassen können.

Abb. 1: Blockschaltbild des modernen DC-Transformators (DCX).

Es gab große Anstrengungen bei der Entwicklung verschiedener Implementierungen des DCX. Einige verwenden eine Variation des Serienresonanzwandlers, der bei oder sehr nahe bei der Resonanz läuft (4), (5). Dies hat die Vorteile eines sanften Schaltens und einer inhärenten transformatorähnlichen Wirkung, während der Wechselrichter und der Gleichrichter bei einem festen Tastverhältnis betrieben werden, aber RMS-Ströme sind höher als ein PWM-Wandler und die Implementierung der Strombegrenzung ist eine Herausforderung. Ein weiterer vielversprechender Ansatz ist die dual-aktive Brücke (DAB) (6), (7). Dieser Ansatz kann weich schaltend verwenden und weist immer noch niedrige RMS-Ströme auf. Der DAB folgt jedoch nicht inhärent den Transformatorgleichungen, und somit ist eine aktive Steuerung zu jeder Zeit erforderlich.

Der einfachste DCX ist mit einer Standard-Hard-Switch-Topologie implementiert, die in 2 gezeigt ist . Der Wandler arbeitet als Tiefsetzsteller, der bei oder sehr nahe an dem maximal möglichen effektiven Tastverhältnis D = 1 arbeitet, was äquivalent zu allen Schaltern in Fig. 2 ist, die mit 50% laufen. Dies maximiert die Transformatorverwendung und ermöglicht die Verwendung eines sehr kleinen Induktivitätswerts aufgrund der niedrigen Voltsekunden, die an den Induktor angelegt werden. Tatsächlich ist der Induktor für einen idealen DCX-Betrieb nicht unbedingt notwendig, aber ein kleiner Induktor ermöglicht, falls notwendig, eine Strombegrenzung und dient zum Filtern von Schaltspitzen und damit verbundenem Überschwingen.

Abb. 2: Isolierter Hard-Switch DCX basierend auf Buck-Converter.

Wo wird es benutzt?

Die typische Anwendung von DCX-Umsetzern ist als Teil eines verteilten Stromversorgungssystems, wie zuvor in 3 gezeigt . Ein solches System benötigt nur eine enge Spannungsregelung an der Last, aber die anderen Vorteile eines verteilten Stromversorgungssystems, wie zum Beispiel hohe Effizienz, erhöhte Sicherheit und reduzierte Strombuskosten, sind immer noch erwünscht. Die Vorteile solcher Systeme sind aufgrund der Geschichte des Netzstroms und der weitverbreiteten Verwendung von Wechselstromtransformatoren bekannt (8).

Abb. 3: Typische Verwendung von DCX in einem dezentralen DC-Netz.

eGaN DCX

Die überlegenen FOMs für eGaN-FETs sind gut dokumentiert (9), und die Effizienzgewinne durch eGaN-FETs haben bereits gezeigt, dass die Leistungsdichte von hart geschalteten PWM-Wandlern um fast 70% erhöht werden kann (10), (11) . Es macht Sinn zu sehen, welche Art von Leistung in einem DCX-Wandler mit eGaN-FETs erreicht werden kann.

Ansatz

Um die Leistungsvorteile von eGaN-FETs in einem DCX-Wandler zu evaluieren, wurde entschieden, den einfachsten möglichen Ansatz zu wählen, nämlich die Verwendung eines standardisierten, hard-switched Konverters (Fig. 2). Da EPC bereits eine Acht-Baustein-Demo-Platine entworfen hat, den EPC9115 500 W 50 V bis 12 V nominalen, vollständig geregelten Buskonverter ( Fig. 4 ), war es sinnvoll, mit diesem als Basisentwurf (12) zu beginnen. Um als DCX zu laufen, wurden nur ein paar einfache Änderungen vorgenommen. Zuerst wurde der Induktor von einer 470 nH, 0, 9 m & Omega; -Pulver-Kerninduktivität zu einer 180 nH, 0, 3 m & Omega; -spaltigen Ferritspule geändert. Beachten Sie, dass das Ausführen als DCX tatsächlich eine Induktivität mit kleinerem Wert ermöglichen würde, aber es gab keine kommerziell kleineren Induktivitäten mit niedrigerem DCR, die groß genug waren, um mit den Pads auf der Platine verbunden zu werden. Zweitens wurde die maximale Arbeitszyklusbegrenzung in der Software von 0, 98 auf 0, 985 geändert, um eine etwas höhere Ausgabe für eine gegebene Eingabe zu ermöglichen. Schließlich wurde die Totzeit von 25 ns auf 15 ns verringert.

Abb. 4: EPC9115 Achte Brick-Demo-Platine als Basis für DCX.

Ergebnisse

Der modifizierte EPC9115-Wandler wurde bei drei Eingangsspannungen (48 V, 50 V, 52 V) über einen Laststrombereich bis zu einem maximalen Laststrom von 62 A getestet. 5 zeigt Effizienzergebnisse für den eGaN DCX bei 25 ° C (nicht thermisch) Gleichgewichtszustand). Eine sehr flache Effizienzkurve erreicht 97% über einen großen Strombereich für alle Eingangsspannungen, und die Ausgangsleistung bei 62 A beträgt 710 W für den 48 V Eingang und 771 W für den 52 V Eingang. Worst Case-Effizienz bei 62 A Last ist immer noch 96, 6%.

Abb. 5: eGaN DCX Wirkungsgrad und Ausgangsspannung für 3 Werte von V IN (48 V, 50 V, 52 V). Beachten Sie den maximalen Ausgangsstrom von 62 A, entsprechend 710 W bei V IN = 48 V und 771 W bei V IN = 52 V.

Die Ergebnisse von Fig. 5 sind nützlich für einen Basislinienvergleich mit anderen Wandlern, stellen jedoch keine realistische Betriebsbedingung dar. Fig. 6 zeigt ein thermisches Bild des Wandlers im thermischen stationären Zustand mit einer Luftströmung von 400 LFM bei 24ºC, mit V IN = 48 V und I OUT = 58, 4 A für eine Ausgangsleistung von 667 W. In diesem Zustand ist die Maximaltemperatur von 108 ° C liegt am Transformatorkern. Die sekundärseitigen eGaN-FETs laufen bei 106 ° C, wobei die primärseitigen eGaN-FETs bei relativ kühlen 84 ° C laufen.

Abb. 6: Wärmebild von eGaN DCX mit V IN = 48 V. I OUT = 58, 4 A und P OUT = 667 W, im thermischen stationären Zustand mit 400 LFM (2 m / s) Luftstrom bei 24 ° C.

Was kommt als nächstes?

Die nachgewiesene Effizienz und Leistungsdichte von eGaN-FETs in einem hart schaltenden Wandler geht weit über das hinaus, was mit Silizium-MOSFETs in einem ähnlichen Wandler möglich ist. Während es möglich sein kann, eine ähnliche Leistung durch Verwendung von Silizium-MOSFETs in einem weichgeschalteten Wandler zu erreichen, ist eine solche Konstruktion eine Herausforderung und weist zahlreiche Beschränkungen auf, wie zuvor diskutiert wurde. Darüber hinaus ist davon auszugehen, dass eGaN-FETs aufgrund ihrer überlegenen Verdienste einen solchen Ansatz nutzen werden.

Beachten Sie, dass alle Tests ohne Kühlkörper durchgeführt wurden. Die meisten High-Power-Silizium-basierte Ziegel Konverter verwenden eine integrierte Wärmesenke. Es wurde gezeigt, dass die Wärmeabfuhrkapazität von eGaN-FETs auf der Oberseite einen um bis zu 30% höheren Strom ermöglichen kann, so dass große Verbesserungen möglich sind (13).

Schließlich wurde die DCX-Leistung basierend auf der Modifikation des vollständig geregelten Acht-Baustein-Wandlers EPC9115 bewertet. Der Entwurf eines Konverters als DCX-Front ermöglicht jedoch viele weitere Optimierungen, wie z. B. eine Vereinfachung der Steuerung, eine Verbesserung des Transformators und die Verwendung einer kleineren Induktivität, um den Ausgangspfad mit hohem Strom zu verkürzen. Bei 60 A verbraucht ein Widerstand von 1 m³ 3, 6 W. Für A 700 W DCX ist dies ein Anstieg der Verluste um 10 bis 15% für jeden Milliohm. Bei diesen hohen Ausgangsströmen besteht eine Schlüsselherausforderung darin, wie man den Strom aus solch einem kleinen Wandler erhält.

Fazit

Die überlegene Leistung von eGaN-FETs ermöglicht es dem Engineering, die Grenzen der herkömmlichen hard-switched DCX-Leistung weit über das hinauszulegen, was mit Silizium-MOSFETs möglich ist.

Verweise:

(1) TS Reynolds und T. Bernstein, "Edison und der Stuhl", IEEE Technology and Society Magazine, vol. 8, nein. 1, S. 19-28, März 1989.

(2) RP Severns und GE Bloom, moderne DC-zu-DC-Schaltmodus-Stromrichterschaltungen . Van Nostrand Reinhold, 1985.

(3) RW Erickson und D. Maksimovic, Grundlagen der Leistungselektronik, Zweiter. Springer, 2001, p. 912.

(4) Y. Ren, M. Xu, J. Sun und FC Lee, "Eine Familie von ungeregelten Buskonvertern mit hoher Leistungsdichte", Power Electronics, IEEE Transactions on, vol. 20, nein. 5, S. 1045-1054, 2005.

(5) D. Reusch und J. Strydom, "Evaluierung von Galliumnitrid-Transistoren in hochfrequenten resonanten und weich schaltenden DC-DC-Wandlern" auf der Applied Power Electronics Konferenz und Exposition (APEC), 2014 Twenty-Neunte Annual IEEE, 2014, S. 464-470.

(6) D. Costinett, H. Nguyen, R. Zane und D. Maksimovic, "GaN-FET-basierte Dual-aktive Brücke DC-DC-Wandler", in Applied Power Electronics Konferenz und Exposition (APEC), 2011 Twenty-sixth Annual IEEE, 2011, S. 1425-1432.

(7) MH Kheraluwala, "Hochleistungs-Hochfrequenz-DC-zu-DC-Wandler", Universität von Wisconsin, Madison, 1991.

(8) JW Coltman, "Der Transformator (historischer Überblick)", IEEE Industry Applications Magazine, vol. 8, nein. 1, S. 8-15, Jan. 2002.

(9) A. Lidow, J. Strydom, M. de Rooij und D. Reusch, GaN-Transistoren für effiziente Leistungsumwandlung, 2. Aufl. Wiley, 2015.

(10) J. Glaser, J. Strydom und D. Reusch, "voll regulierter Hochleistungs-DC / DC-Wandler mit acht Blöcken mit GaN-FETs" in PCIM Europe 2015; Internationale Ausstellung und Konferenz für Leistungselektronik, intelligente Bewegung, erneuerbare Energie und Energiemanagement; Proceedings of, 2015, S. 406-413.

(11) D. Reusch und J. Glaser, Handbuch DC-DC-Wandler - Eine Ergänzung zu GaN-Transistoren für effiziente Leistungswandlung, 1. Aufl. Stromumwandlungspublikationen, 2015.

(12) Efficient Power Conversion Corporation, Demonstrationsplatine EPC9115, (//epc-co.com/epc/Products/DemoBoards/EPC9115.aspx) 2015.

(13) D. Reusch, J. Strydom und A. Lidow, "Thermische Bewertung von Galliumnitrid-Transistoren in Chip-Größe", auf der APEC (Applied Power Electronics Conference and Exposition), 2016 IEEE, 2016.

Ursprünglich auf Power Electronics News veröffentlicht

Von John Glaser, Direktor für Anwendungstechnik, Efficient Power Conversion, www.epc-co.com