Моделювання режимів роботи та електромагнітних завад перетворювача на GaN транзисторах

Abstract

У роботі досліджено вплив частоти перетворення на ефективність роботи напівмостового перетворювача на GaN транзисторах. Наведено результати комп’ютерного моделювання такого перетворювача з урахуванням втрат на різних частотах. Показано, що запропонована комп’ютерна модель дозволяє визначити рівень струму споживання, а, отже, і ККД напівмостового перетворювача на GaN транзисторах. Моделювання з параметрами, взятими зі схеми від виробника призводить до завищених оцінок споживання струму до 2,3 рази. Зміна параметрів RC-кіл, що формують інтервал «мертвого часу» транзисторів зменшує похибку визначення струму споживання до менш як 5 %. Збільшення тривалості «мертвого часу» суттєво не впливає на точність моделювання несиметричних електромагнітних завад і призводить до зміни їх рівня в межах 3 дБ. У результаті дослідження встановлено, що комп’ютерна модель має достатню точність для оціночних розрахунків, а розглянуті перетворювачі на GaN транзисторах найкраще використовувати з частотами перетворення близько 500 кГц. Такі перетворювачі можуть знайти застосування в джерелах живлення бортової апаратури і автомобільних підсилювачах класу D.

Simulation results of the converter efficiency with the nominal values of the elements according to the EPC9035 manual showed significant deviations from the calculated values at frequencies above 50 kHz. This is explained by the presence of inrush current through transistors. The inrush current depends on the «dead time» between the intervals when the transistors are open and the delays specified in the SPICE model of LM5113 driver. To reduce the amplitude of inrush current and, accordingly, to increase the duration of the «dead time» interval, it is proposed to double the capacitors responsible for the formation of this interval. Simulation of the converter efficiency with the doubled values of the circuit elements showed that the results almost coincide with the calculated values of the efficiency in the range from 0.05 MHz to 5 MHz. The converter on the EPC2022 transistors has the highest efficiency at 50 kHz which decreases by 0.03-0.04 at 500 kHz. Therefore, it is recommended that the operating frequency should be set close to 500 kHz. Simulation of EMI levels resulted that the difference in the duration of the «dead time» does not have a significant effect on the levels of simulated EMI. The largest difference between the simulation results and the experiment is observed at frequencies about 30 MHz and is 3-6 dB. Originality. For the first time, the computer model was used to calculate the efficiency of a half-bridge converter on GaN transistors at different frequencies.