月: 2017年3月

シングルエンド・プッシュプル回路のトップとボトム両方にn-ch MOSFETを用いる構成を、

オーディオでは準コンプリメンタリと呼んでいますが、

パワーエレクトロニクスではハーフブリッジと呼んでいます。

 

ということは、
オーディオパワーアンプは、

可聴帯域信号による線形制御のDC/ACコンバーターになります。

実際、20kHZの矩形波応答での動作は、スイッチング動作そのものです。

 

また、ハーフブリッジ回路ではハイサイドとボトムサイドの動作に対して、

それぞれ独立した非対称の制御をすることもあります。

 

一方で、GaN　MOSFETアンプの上下の出力電流のゲイン・位相特性の非対称性は、

スナバ回路を独立に設定すれば軽減できそうです。

(赤：出力電圧, 青：トップのMOSFETの出力電流, 緑： ボトムのMOSFETの出力電流）

 

そこで、トップとボトムのスナバ回路設計のための測定をそれぞれ行ったところ、
異なる寄生容量と寄生インダクタンスが測定されました。

最終的なスナバ回路の定数を以下にしめします。
Top: Rs: 180Ω, Cs: 56pF, Fc: 15.8MHz
Bottom: Rs: 470Ω, Cs: 22pF, Fc: 15.4MHz

この結果、
ゲートストッパーは47Ωまで下げられ、THD-20も下がりました。

ゲートゾーベルはゲートとドレイン間のスナバ回路なので、
スナバ回路の設計をいろいろ検索してみたところ、
アプリケーションノートがたくさん見つかりました。

AN11160　Designing RC snubbers
Switcher Efficiency & Snubber Design
AN-4147　Design Guidelines for RCD Snubber of Flyback Converters
アプリケーションノート3835 CCFLプッシュ/プルスナバ回路
パワースイッチ向けの抵抗器-コンデンサ（RC）スナバ設計
高速DC/DCコンバータのスイッチノードで発生するリンギングの抑制　Part 3/4

AN11160によると、

まず共振周波数を測定し、

次に寄生容量を測定して、

寄生インダクタンスを計算します。

あとは臨界制動になるようにスナバ回路の

容量値と抵抗値を決めれば良いようです。

ゲートストッパーとトップおよびボトムのゲートゾーベルが干渉するので、

一度、ゲートストッパーとゲートゾーベルを取り除いてから、

20kHzの矩形波応答で測定を行いました。

また、容量を追加して発振周波数を測定するときは、

トップまたはボトムのMOSFETそれぞれ独立に容量を追加して測定した方が良いようです。

 

かなり試行錯誤が必要ですが、

シミュレーションで測定したところ以下の値を得ました。
共振周波数(fring0):　16.4MHz
10pF(Cadd)を追加した時の共振周波数(fring1): 14.1MHz
寄生容量(Clk):　28.5pF
寄生インダクタンス(Llk): 3.30uH

スナバ抵抗(Rs):170Ω -> 180Ω

スナバ容量(Cs):57pF -> 56pF

ゲートストッパーは68Ωでよいようです。

 

以前のルールオブサムのゲートゾーベルの値(Rs=47Ω, Cs=100pF, Fc=33.9MHz)にくらべて、

シミュレーションによる理論値(Rs=180Ω, Cs=56pF, Fc=15.8MHz)は、

カットオフ周波数(Fc)がおよそ半分になっているので、

ゲートストッパーが100Ωから68Ωで済むため、

GaN MOSFETをより高速でドライブできるようです。

 

GaN MOSFETアンプのトップとボトムの出力電流のボーデ線図が揃わない

原因をいろいろ追求していたところ、

どうやらゲートゾーベルが影響しているようです。

左が最適化前(100pF/100pF)、

右が最適化後(82pF/8pF)の、

トップ（緑：I(R20)）・ボトム（青I(R21)）出力電流の

ゲイン（実線：左目盛り）と位相（破線：右目盛り）です。

 

最適化前は、トップの電流の位相が200kHzで反転していて、

ゲインも深いディップになっています。
また、ボトムの電流の位相とゲインも200kHzで急激にロールオフしていて、

あまり余裕がありません。

 

最適化後は、トップとボトムの位相とゲインが共になだらかになって、

ボトムも4MHz程度まで位相余裕が伸びています。

 

8Ω負荷時のTHD-20は、

0.002306%から0.002197%に改善しました。