Las columnas anteriores de esta serie discutieron los beneficios de los FET eGaN en diseños de conmutación suave y resonante de alta frecuencia. En este artículo, se hace un regreso a los convertidores de conmutación dura, pero con un impulso hacia frecuencias más altas más allá de los límites prácticos de la tecnología de silicio. Una de esas aplicaciones específicas es el seguimiento de sobres. El propósito de este artículo es demostrar los niveles de potencia y eficiencia que se pueden lograr fácilmente utilizando los FET eGaN actuales y el controlador de medio puente LM5113 eGaN FET, y presentar varios dispositivos nuevos que amplían la capacidad del rango de conmutación de alta frecuencia.
Las columnas anteriores de esta serie discutieron los beneficios de los FET eGaN en diseños de conmutación suave y resonante de alta frecuencia. En este artículo, se hace un regreso a los convertidores de conmutación dura, pero con un impulso hacia frecuencias más altas más allá de los límites prácticos de la tecnología de silicio. Una de esas aplicaciones específicas es el seguimiento de sobres. El propósito de este artículo es demostrar los niveles de potencia y eficiencia que se pueden lograr fácilmente utilizando los FET eGaN actuales y el controlador de medio puente LM5113 eGaN FET, y presentar varios dispositivos nuevos que amplían la capacidad del rango de conmutación de alta frecuencia.
Conceptos de seguimiento de sobres
La idea detrás del seguimiento de envolvente (ET), o a veces llamado eliminación y restauración de envolvente (EER) en amplificadores de potencia (PA) lineales, no es nueva, pero han surgido nuevas tecnologías que hacen que ET sea viable. Este desarrollo tecnológico está impulsado por la necesidad de mejorar continuamente la duración de la batería de los teléfonos celulares y la eficiencia energética de la estación base a medida que las tasas de datos continúan aumentando exponencialmente. [1]La clave para la función de seguimiento de envolvente que mejora la eficiencia es el requisito de potencia pico a promedio (PAPR) del amplificador. [2]Como se muestra en el diagrama conceptual (Figura 1), es posible lograr eficiencias de PA de hasta el 65 % con suministros fijos, pero con PAPR de hasta 10:1, la eficiencia promedio puede ser inferior al 25 %. La modulación de la tensión de alimentación del PA puede mejorar esto en un 50 % o más. Esto duplica efectivamente la eficiencia y reduce las pérdidas de PA en dos tercios. Esto no solo reduce el consumo de energía, sino también los costos operativos, los requisitos de refrigeración, el tamaño, etc. [3].
conmutador de alta frecuencia
La mejor manera de implementar el seguimiento de sobres aún está en discusión. Sin embargo, se requiere algún tipo de conmutador de alta frecuencia para lograr los requisitos de eficiencia, lo que puede requerir elementos lineales en serie o en paralelo para lograr el ancho de banda requerido. [4]Una solución práctica para implementar fuentes de alimentación ET es utilizar un convertidor reductor polifásico (con o sin elementos lineales para mejorar el ancho de banda). El ancho de banda alcanzable de estos convertidores reductores normalmente se limita a aproximadamente 1/5 de la frecuencia de conmutación efectiva, pero se puede aumentar mediante técnicas de control no lineal. [5].
Convertidor reductor de alta frecuencia experimental
El alto PAPR que habilita la ET significa que el voltaje de salida promedio es típicamente del 30 % al 50 % del voltaje de suministro del convertidor reductor, y puede oscilar por debajo y por encima de este promedio en varios megahercios. Con el fin de demostrar el rendimiento del dispositivo, se pueden utilizar convertidores reductores monofásicos de estado estable que funcionan con ciclos de trabajo similares para determinar la eficiencia y los requisitos térmicos de los convertidores reductores ET multifásicos. Según el área activa de los FET eGaN de la serie EPC2000, la aplicación ET más típica serán los transmisores de transmisión de video digital (DVB) implementados por el experto en ET Nujira. Las especificaciones del montaje experimental se muestran en la Tabla 1. Para demostrar el efecto de reducir el área activa, creamos dos demostradores con dispositivos de diferentes tamaños.
La frecuencia de conmutación del demostrador se fijó lo más alto posible en la práctica. Dado el tamaño respectivo del dadoLos resultados de eficiencia y el desglose de pérdidas para cada uno se muestran en las Figuras 2 y 3, respectivamente.
Significado de los resultados experimentales
La Figura 3 muestra claramente que las pérdidas del dispositivo se concentran en el FET de control de conmutación dura y que las pérdidas de conmutación limitan los aumentos de frecuencia adicionales. Un dispositivo más pequeño (mayor resistencia de encendido) pudo aumentar la frecuencia de conmutación proporcionalmente en un factor de 4, pero la potencia de salida se redujo significativamente en aproximadamente un 40 %, por lo que para obtener la misma potencia de salida total se necesitarían 2,5. Necesitaba el doble la fase. Además, considerando el aumento en el número de fases requeridas, un aumento de 4x en la frecuencia de conmutación casi duplica las pérdidas totales del convertidor.
Si bien estos resultados son adecuados para aplicaciones de alta potencia, el gran mercado para el seguimiento de la envolvente de la estación base celular requiere baja potencia y alto ancho de banda.Por lo tanto, la nueva familia de Transistor de potencia GaN de alta frecuencia enumerados en la Tabla 2. La reducción de tamaño y las mejoras estructurales y de dispositivos proporcionan velocidades de transición de conmutación en el rango de subnanosegundos, lo que permite aplicaciones de conmutación duras más allá de 10 MHz. Como ejemplo, la Figura 4 muestra los resultados de eficiencia para un convertidor reductor de 10 MHz, 42 V a 20 V que utiliza uno de estos dispositivos.
resumen
El seguimiento de sobres es una nueva aplicación que puede mejorar en gran medida el rendimiento de los PA, que prevalecen en las tecnologías modernas y futuras. Se requiere un dispositivo más rápido para habilitar el seguimiento de sobres. Esta columna presentó un convertidor reductor basado en FET eGaN de conmutación dura de alta frecuencia adecuado para el seguimiento de envolvente de alta potencia. Los resultados mostraron eficiencias superiores al 97% y 94% en operación de 1 MHz y 4 MHz, respectivamente. Para aumentar aún más la frecuencia de conmutación, se debe reducir el área efectiva de la matriz y la potencia de salida por fase. Se ha anunciado una nueva familia de FET eGaN y los resultados iniciales muestran una eficiencia máxima del 89 % en funcionamiento a 10 MHz. Los FET eGaN continúan permitiendo aplicaciones nuevas y emocionantes que no eran posibles con los MOSFET de Si antiguos.
eGaN es una marca registrada de Efficient Power Conversion Corporation.
Referencias
[1] Documento técnico de Cisco, “Índice de redes visuales de Cisco: actualización del pronóstico del tráfico de datos móviles global, 2012–2017”, febrero de 2013.
[2] OpenET Alliance, descripción general del seguimiento de sobres
[3] J. Hendy, eficiencia energética del transmisor
[4] O. Garćia et al., “Descripción general de convertidores CC-CC de alta velocidad para amplificadores de envolvente de transmisores de RF”, IEEE Transactions on Power Electronics, volumen 28, núm. 10, octubre de 2013, págs. 4712-4722
[5] M. Norris, D. Maksimovic, “Ancho de banda de señal grande de 10 MHz, 95 % de eficiencia
Power Supply for 3G-4G Cell Phone Base Stations”, Conferencia de Electrónica de Potencia Aplicada (APEC) 2012, febrero de 2012, Orlando, Florida.