Convertisseurs VHF à transistor GaN : défis, réalisations et perspectives

With new advancements in GaN technology, the tendency to increase the switching frequency in power converters is on the rise. Switching at very high frequency (VHF: 30MHz-300MHz) allows for smaller passive components and more compact power converters. Topologies suitable for VHF operation such as the class Φ2 inverter have already been presented and their virtues have been demonstrated in several industrial applications including wireless power transfer and plasma etching.The class Φ2 is a low voltage semiconductor stress, fast transient, single transistor inverter topology suitable for very high frequency applications. We start here by evaluating its sensitivity to component tolerances and PCB parasitic elements when switching at very high frequency and we investigate the impact of its passive components (inductors, capacitors) quality factor on its efficiency.Furthermore, although GaN devices are able to switch at tens of megahertz, gate drivers may struggle with providing the correct switching signal at VHF. In order to overcome this issue, we introduce here two self-oscillating inverter topologies based on a class Φ2 inverter: the Φ2 free-running and the Φ2 drain-tapped. These self-oscillating topologies feed the drain signal or the output signal into a resonant feedback circuit in order to generate a switching signal at the gate of the transistor. We provide a quantitative method for their design and verify it through simulation using LTSpice. We then analyze their performances and demonstrate their use as a first building block in a DC/DC VHF converter.Finally, we build several prototypes in order to validate our simulation models and identify the challenges that arise when implementing VHF converters.Avec les nouvelles avancées de la technologie GaN, une tendance à augmenter la fréquence de commutation dans les convertisseurs de puissance apparaît. La commutation à très haute fréquence (VHF : 30 MHz-300 MHz) permet d’obtenir des composants passifs plus petits et des convertisseurs de puissance plus compacts. Des topologies adaptées au fonctionnement VHF telles que l'onduleur classe Φ2 ont déjà été présentées et leurs vertus ont été démontrées dans diverses applications industrielles dont le transfert de puissance sans fil et la gravure plasma.La classe Φ2 est une topologie d’onduleur mono-interrupteur à faible contrainte en tension sur le composant semi-conducteur et à transitoire rapide, adaptée aux applications à très haute fréquence. Nous commençons ici par évaluer sa sensibilité aux tolérances des composants et aux éléments parasites des PCB en VHF et nous étudions l'impact du facteur de qualité de ses composants passifs (inductances, condensateurs) sur son rendement.Par ailleurs, bien que les composants GaN soient capables de commuter à des dizaines de mégahertz, les « gate drivers » commerciaux peuvent avoir du mal à fournir le signal de commutation adéquat en VHF. Afin de surmonter ce problème, nous présentons ici deux topologies d'onduleurs auto-oscillants basés sur un onduleur classe Φ2 : la Φ2 free-running et la Φ2 drain-tapped. Dans ces topologies auto-oscillantes, le signal de drain ou le signal de sortie est prélevé et réinjecté dans un circuit de rétroaction résonnant afin de générer un signal de commutation au niveau de la grille du transistor. Nous fournissons une méthode quantitative pour la conception de ces topologies et nous la vérifions par simulation à l'aide de LTSpice. Nous analysons ensuite les performances de ces topologies et démontrons leur utilisation comme premier étage d’un convertisseur VHF DC / DC.Enfin, nous construisons plusieurs prototypes afin de valider nos modèles de simulation et d'identifier les défis liés à l'implémentation de convertisseurs VHF

GaN based VHF converters : design, challenges and perspectives

Avec les nouvelles avancées de la technologie GaN, une tendance à augmenter la fréquence de commutation dans les convertisseurs de puissance apparaît. La commutation à très haute fréquence (VHF : 30 MHz-300 MHz) permet d’obtenir des composants passifs plus petits et des convertisseurs de puissance plus compacts. Des topologies adaptées au fonctionnement VHF telles que l'onduleur classe Φ2 ont déjà été présentées et leurs vertus ont été démontrées dans diverses applications industrielles dont le transfert de puissance sans fil et la gravure plasma.La classe Φ2 est une topologie d’onduleur mono-interrupteur à faible contrainte en tension sur le composant semi-conducteur et à transitoire rapide, adaptée aux applications à très haute fréquence. Nous commençons ici par évaluer sa sensibilité aux tolérances des composants et aux éléments parasites des PCB en VHF et nous étudions l'impact du facteur de qualité de ses composants passifs (inductances, condensateurs) sur son rendement.Par ailleurs, bien que les composants GaN soient capables de commuter à des dizaines de mégahertz, les « gate drivers » commerciaux peuvent avoir du mal à fournir le signal de commutation adéquat en VHF. Afin de surmonter ce problème, nous présentons ici deux topologies d'onduleurs auto-oscillants basés sur un onduleur classe Φ2 : la Φ2 free-running et la Φ2 drain-tapped. Dans ces topologies auto-oscillantes, le signal de drain ou le signal de sortie est prélevé et réinjecté dans un circuit de rétroaction résonnant afin de générer un signal de commutation au niveau de la grille du transistor. Nous fournissons une méthode quantitative pour la conception de ces topologies et nous la vérifions par simulation à l'aide de LTSpice. Nous analysons ensuite les performances de ces topologies et démontrons leur utilisation comme premier étage d’un convertisseur VHF DC / DC.Enfin, nous construisons plusieurs prototypes afin de valider nos modèles de simulation et d'identifier les défis liés à l'implémentation de convertisseurs VHF.With new advancements in GaN technology, the tendency to increase the switching frequency in power converters is on the rise. Switching at very high frequency (VHF: 30MHz-300MHz) allows for smaller passive components and more compact power converters. Topologies suitable for VHF operation such as the class Φ2 inverter have already been presented and their virtues have been demonstrated in several industrial applications including wireless power transfer and plasma etching.The class Φ2 is a low voltage semiconductor stress, fast transient, single transistor inverter topology suitable for very high frequency applications. We start here by evaluating its sensitivity to component tolerances and PCB parasitic elements when switching at very high frequency and we investigate the impact of its passive components (inductors, capacitors) quality factor on its efficiency.Furthermore, although GaN devices are able to switch at tens of megahertz, gate drivers may struggle with providing the correct switching signal at VHF. In order to overcome this issue, we introduce here two self-oscillating inverter topologies based on a class Φ2 inverter: the Φ2 free-running and the Φ2 drain-tapped. These self-oscillating topologies feed the drain signal or the output signal into a resonant feedback circuit in order to generate a switching signal at the gate of the transistor. We provide a quantitative method for their design and verify it through simulation using LTSpice. We then analyze their performances and demonstrate their use as a first building block in a DC/DC VHF converter.Finally, we build several prototypes in order to validate our simulation models and identify the challenges that arise when implementing VHF converters

Etude de deux structures d'onduleurs Hautes Fréquences (HF) et Très Hautes Fréquences (THF) à transistor GaN

International audienceL’appareillage électronique tend de plus en plus à la miniaturisation. L’alimentation électrique de ces appareils électroniques doit donc suivre cette même tendance. Une façon de rendre les alimentations électriques à découpage plus petites, est d’en augmenter la fréquence de fonctionnement. L’augmentation de la fréquence de découpage jusqu’à des dizaines de Mégahertz, permet également de réaliser des inductances sans fer voire de réduire la masse du convertisseur en imprimant les inductances sur le circuit imprimé (PCB). Cependant, lorsque ces alimentations à découpage opèrent à plus de 10MHz, les structures utilisées communément, mêmes les structures résonnantes, ne sont plus adaptées. L’objectif de cet article est de présenter et de comparer deux structures d’onduleurs à résonnance adaptées à des fonctionnements à hautes fréquences (HF : 3MHz-30MHz) et très hautes fréquences (VHF : 30MHz-300MHz) pouvant prendre part dans un premier étage de convertisseur DC-DC isolé alimentant un appareil électronique; les onduleurs classe E et classe ᶲ2. Cet article fait le parallèle entre l’onduleur classe E et l’onduleur classe ᶲ2. Il montre également l’évolution de la taille des éléments magnétiques avec l’augmentation de la fréquence de découpage et les défis de la réalisation expérimentale de convertisseurs fonctionnant à 13,56MHz et à 40,68MHz(Bandes de fréquences industrielles, scientifiques et médicales)

Etude de deux structures d'onduleurs Hautes Fréquences (HF) et Très Hautes Fréquences (THF) à transistor GaN

International audienceL’appareillage électronique tend de plus en plus à la miniaturisation. L’alimentation électrique de ces appareils électroniques doit donc suivre cette même tendance. Une façon de rendre les alimentations électriques à découpage plus petites, est d’en augmenter la fréquence de fonctionnement. L’augmentation de la fréquence de découpage jusqu’à des dizaines de Mégahertz, permet également de réaliser des inductances sans fer voire de réduire la masse du convertisseur en imprimant les inductances sur le circuit imprimé (PCB). Cependant, lorsque ces alimentations à découpage opèrent à plus de 10MHz, les structures utilisées communément, mêmes les structures résonnantes, ne sont plus adaptées. L’objectif de cet article est de présenter et de comparer deux structures d’onduleurs à résonnance adaptées à des fonctionnements à hautes fréquences (HF : 3MHz-30MHz) et très hautes fréquences (VHF : 30MHz-300MHz) pouvant prendre part dans un premier étage de convertisseur DC-DC isolé alimentant un appareil électronique; les onduleurs classe E et classe ᶲ2. Cet article fait le parallèle entre l’onduleur classe E et l’onduleur classe ᶲ2. Il montre également l’évolution de la taille des éléments magnétiques avec l’augmentation de la fréquence de découpage et les défis de la réalisation expérimentale de convertisseurs fonctionnant à 13,56MHz et à 40,68MHz(Bandes de fréquences industrielles, scientifiques et médicales)

A Comprehensive Sensitivity Evaluation of a GaN Based Class (phi)2 Inverter at Very High Frequency (VHF)

International audienc

Etude et réalisation de deux structures d’onduleurs Hautes Fréquences (HF) et Très Hautes Fréquences (VHF) à transistor GaN

National audienc

A Very High Frequency Self-Oscillating Inverter Based on a Novel Free-Running Oscillator

WOS:000471702300005International audienceThis letter introduces a self-oscillating very highfrequency (VHF) class φ 2 inverter based on a free-running oscillator. The class φ 2 is a low-voltage semiconductor stress, fast-transient, single-transistor inverter topology suitable for VHF applications. With new advancements in GaN technology, the tendency to increase the switching frequency in power converters is on the rise. Switching at VHF (VHF: 30-300 MHz) allows for smaller passive components and more compact power converters. However, although GaN components are able to switch at 100 MHz and beyond, gate drivers available in the market struggle to provide the adequate switching signal at VHF. Hence, there is a need for an alternative to VHF converters using those gate drivers-self-oscillating topologies. To that end, a self-oscillating class φ 2 inverter switching at 30 MHz is presented and a design methodology is provided. A 30 MHz prototype with 30 V input voltage using a GaN Systems GS61004B is also built and tested, showing good matching between the simulation and experimental results

A DC/DC Converter Based on a Very High Frequency Tuned Power Oscillator

International audienc