IRS2092がSiC/GaN D級アンプに使いにくい理由

D級アンプのソリューションとしてポピュラーなIRS2092ですが、

高速SiC/GaN FETディバイス(C3M0280090D, TPH3206PSBなど)に適用しようとすると、

使いにくい点があるので、まとめておきます。

 

まず、動作周波数が800kHzまでというのが、ネックになります。

高速ディバイスを用いて自励発振式で単純に回路を組むと、

容易に1MHzを超えてしまうため、

実回路では対策をしないと動作しません。

 

Si8244は8MHzまで動作します。

 

実際の設計では、スイッチング周波数が2MHzを超えると、

表皮効果によって、スイッチングノードの発熱が大きくなって、

PCBのトレースが2Ozの基板でも焦げてしまうので、

注意が必要です。

 

また、スナバ回路(DCリンク、スイッチングノード、Zobelなど)の

抵抗の発熱も無視できなくなってきます。

 

つぎに、デッドタイムの設定値が4段階(25/40/65/105ns)

しか設定できない点です。

Si8244は0.4nsから1usまで、抵抗値の系列もしくは

ポテンショメータで無段階で設定できます。

 

実際の設計では、

デッドタイムはZVSを達成するために、

スイッチングディバイスに合わせてきめ細かく設定する必要があります。

 

最後に、
自励発振周波数を下げるためには、

プロパゲーションディレイを大きくするのが簡単ですが、

IRS2092はモノリシック構成で、

OTA(エラーアンプ・積分器)、

コンパレータ、

ゲートドライバ(IRS20957S)が

一体となっているため、

積分器の抵抗値とデッドタイムで調整するしかありません。

 

なお、IRS2092のリファレンス・デザインとして、

IRAUDAP7D

が参考になります。

 

これに対して、

ディスクリート(ADA4001-2, LT1713, Si8244など)構成では、

電流モードなど、

多重の状態フィードバックループを含めた対応がとれます。

なお、IRS20957Sによるディスクリート構成のリファレンス・デザインとして、

IRAUDAMP4A

IRAUDAMP6

が参考になります。

 

D級GaN MOSFETアンプの設計パラメータの考察

SPICEシミュレーションでTPH3206PSBによるD級GaN MOSFETアンプの

自励発振に関するパラメータを詰めました。

IRS2092のパラメータに寄せています。

最終的なSPICEモデルの回路図はこちら。

1V, 1KHz正弦波入力時の過渡応答はこちら。

緑:出力電圧、青:スイッチング電圧、水色:Lスイッチング電流、赤:Hスイッチング電流

まず、シュミットトリガのパラメータですが、

ヒステリシス(Vh)は、IRAUDAMP7DによるとIRS2092のコンパレータのヒステリシスは0なので合わせます。

ヒステリシスがあるとLPFで除去できない搬送波による出力電圧のリプルが大きくなります。

 

プロパゲーションディレイ(Td)は、IRS2092のゲートドライバで335/360ns,汎用 コンパレータLT1011で150nsなので、

500nsとします。

また、入力パルス幅の最小値が10nsなので、TripDtはこの値としています。

 

この値で、自励発振周波数が420kHz程度になるので、恐らく妥当な値だと思われます。

 

電源電圧は+-45Vとしていますが、

最大入力時にクリップしないように、フィードバック抵抗は100kΩにしています。

 

また、積分器のコンデンサ容量は1nF, 1nF、抵抗値は300Ωとしています。

抵抗値を変えても自励発振周波数はほとんど変化しないため、

ビートを回避するために左右のチャンネルで周波数を20kHz以上離したい場合は、

コンデンサ容量を1.2nF, 1.2nF等に変更するほうが良さそうです。

 

一番悩ましいのは、ゲート抵抗の値です。

自励発振周波数にも影響しますが、

スイッチング電流の大きさおよびパルス幅とスイッチング電圧のリンギングの大きさの

トレードオフになります。

 

結局22Ωのままとして、スイッチング電流が最大で25A、パルス幅25ns,

スイッチング電圧のリンギングのピークが5-10Vとなっています。

 

これらのシミュレーション結果を踏まえると、

DT(デッドタイム)は40nsでスイッチング電流のパルス幅をカバーして貫通電流を回避できます。

また、OCP(過電流保護)は30Aで良さそうです。

 

結論として、TPH3206PSBでもIRAUDAMP7Dのパラメータでほぼいけると思われます。

 

D級GaN MOSFETアンプの基板設計

IRAUDAMP7D 25W-500W Scalable Output Power
Class D Audio Power Amplifier Reference Design
Using the IRS2092 Protected Digital Audio Driver,

AN-1138 IRS2092(S) Functional Description,

AN-0003 Printed Circuit Board Layout and Probing for GaN Power Switches

を参考にして、

IRS2092とTPH3206PSBによる

D級GaN MOSFETアンプの基板を設計しました。

IRS2092は

Board Layout Considerationsとして

以下の3つのグランドプレーンが必要なので、

ポリゴンの配置がやや複雑になります。

1. Analog Ground

2. Gate Driver Reference

3. Power Ground

 

また、TPH3206PSBは

2 LAYOUT CONSIDERATION IN A PFC BOARDとして

2.1 Power loop
2.2 Gate Loop/Gate Drive Circuit

によると、

ソースピンに対してゲートループとパワーループを分離する必要があるようです。

 

その他、バイパスコンデンサ、スナバ、ゾーベル、

LPFの配置にも注意を払う必要があります。

 

D級GaN MOSFETアンプの検討

Infenion(International Recrifier)IRS2092

Transphorm TPH3206PSBでD級アンプを検討しています。

 

関連するアプリケーションノートもあげておきます。

AN-1138 IRS2092(S) Functional Description
AN-1070 D級オーディオ・アンプの特性とMOSFETのパラメータの関係
AN-1135 D級オーディオ用ゲート駆動回路のプリント回路基板レイアウト
AN-978 高耐圧のフローティングMOSゲート駆動IC

 

評価基板やキットもいろいろあるようなので、

試作は簡単にできそうです。