Tuesday, December 6, 2016

Gan Fet

Electronic Specifier Editor Joe Bush spoke to Jim Witham, Chief Executive Officer of GaN Systems at electronica about the company’s offer of gallium nitride (GaN) power transistors and the role they are playing in the world’s energy reduction needs of the future.
The world is already consuming too much energy. As the global middle class grows, more energy will be required. Global warming and the resulting regulations, plus more stringent emissions standards, compound the issue. We are entering a revolution where materials and energy must be used more efficiently - meeting population and industrial energy consumption needs is not sustainable with current power system solutions. Power electronics must change.
Whenever power conversion happens, losses occur. These losses manifest themselves as waste heat, which has to be dissipated and gives rise to excess greenhouse gases. Using gallium nitride, with its much lower on-resistance, fast switching capabilities and zero reverse recovery losses, a more efficient conversion is achieved. GaN transistors are already making a difference in the consumer, data centre, industrial and transportation industries. Gallium nitride technology offers efficiency improvements over traditional silicon technology when used in high power conversion systems, thereby reducing greenhouse gas (GHG) emissions and various criteria air contaminants.
Hybrid and electric vehicles have a substantial power conversion requirement – a typical drivetrain can be switching 100kW. A typical silicon-based converter will be optimally 95% efficient – therefore having a five percent loss – or 5kW. These losses, as heat, have to be disposed of, and the current solutions involve water cooling and separate radiator systems. GaN converters can achieve 98 to 99% efficiency – a threefold reduction in losses, and thanks to GaN’s higher efficiencies, can be air-cooled. Other applications include solar, wind and smart grid and high efficiency power supply.
In addition to increased efficiency, systems that use gallium nitride require less components, are more compact and are lighter. Customers are replacing power MOSFETs and IGBTs with GaN transistors in order to reduce system size and weight by up to 5X; decrease power losses by up to 90%; reduce cost and BOM; and gain a competitive advantage.
GaN E-HEMTs (high electron mobility transistors) are being designed into a wide variety of power electronics applications. These applications include travel adapters, wireless chargers, smart home appliances, high efficiency AC/DC data centre power supplies, 48V to 1V direct converters, industrial motor drivers, distributed energy generation and storage systems, aerospace, automotive traction inverters, on-board EV battery chargers and DC/DC converters.
The properties of GaN allow for high current, high voltage and high switching frequency. This is exemplified by the lowest figure of merit (RDS(on) x QG) of all power transistor technologies available today. The ultra-fast switching capabilities with low losses, low on-resistance and superior thermal performance of GaN Systems’ devices combine to increase efficiency and power density in these applications.
At electronica GaN Systems launched a daughterboard style Evaluation Platform to help power design engineers easily evaluate the GaN E-HEMT performance in any system design, along with a universal motherboard (GS665MB-EVB). The family of four daughterboards ranging from 750W to 2,500W consists of two GaN Systems 650V GaN Enhancement mode HEMTs (E-HEMTs) and all necessary circuits, including half-bridge gate drivers, isolated power supplies and an optional heatsink to form a high performance half bridge power stage.

Monday, December 5, 2016

Low side buck

Topologi buck sangat umum dipakai pada SMPS. Umumnya memakai high side switch. namun kali ini saya aka mencoba pada sisi low side. Tingkat kesulitan memang lebih tinggi dibandingkan dengan sisi high side. Power suply harus terisolasi dari pada output. Regulasi pada sisi negatif. Membaca tegangan lebih rumit daripada high side swicth. untuk itu saya gunakan voltage devider 2Pcs pada sisi input. sedangkan outputnya tetap. Keuntungan dari memakai topologi ini adalah, mosfet N dengan Rds on rendah lebih banyak dibandingkan dengan P. Memakai mosfet N pada sisi high side akan memiliki panas yang lebih tinggi dibandingkan dengan low side. Untuk type topology yang hampir mirip adalah LLC Resonant Flyback. Perbedaan ada pada isolasi menggunakan transformer dan perhitungan resonansi. Sedangkan isolasi menggunakan capacitor 470nf.

Friday, December 2, 2016

Memakai TC4420 high speed mosfet driver (Low-Side)

TC4420 adalah IC mosfet driver yang lumayan handal dipakai untuk mendrive mosfet pada sisi low side. Saya pernah coba pada sisi high side namun gagal. Untuk menggunakan IC ini pada sisi high side perlu isolasi power suply dan isolasi signal, jadi mampu bekerja dengan baik. namun isolasi signal dengan optocoupler kelemahanya pada sisi kecepatan, maksimal sesuai kecepatan dari optocoupler. Isolasi signal bisa juga mengunakan mosfet atau transistor, dengan prinsip kerja pembagi tegangan, dengan pull down resistor sebagai acuan dari voltage devider. Jadi delay lebih lama. Kemampuan IC ini mampu mendrive mosfet sampai 10000pf atau 10n. Angka tersebut biasanya dimiliki oleh mosfet dengan rating ampere besar. Atau biasanya logic gate mosfet. IRLB series. Ada juga yang 13000pf milik IXYS100N50. Jadi driver ini memiliki kemampuan yang handal. Untuk inverting bisa memakai TC4429. Untuk membuat driver mosfet yang setara diperlukan 3 mosfet dan 2 OP-Amp, sesuai dengan block diagram IC tersebut. Mosfet logic pada intput, dan dua mosfet totem pole, N dan P pada outputnya. Saya pernah coba drive mosfet type IXYS21N50, 150N17, Irf3205, IrfZ44 dan yang terkahir IXYS100N50 (100A-500V-Pd1500W-Rdson50 mOhm). Performa terbaik IC didapat pada tegangan 15Volt. Sedangan input minimal pada 4,8Volt VCC(internal zener clamp 4,8V) Dibandingkan dengan metode bootstrap capacitor, yang lebih murah, namun memiliki keterbatasan pada tegangan input yang mendekati output dibawah 2volt (sehingga mosfet saturation).
 Pada mosfet generasi terbaru, Sic (silicon carbid) dan Gan (Galium) memiliki charging gate (Qg) atau berkaitan dengan Ciss yang rendah. Paling rendah dimiliki direct FET untuk system audio, yaitu dengan minimum gate charge, untuk menghindari ringing. Sekitar dibawah 400pf untuk Gan fet yang 5 ampere, sedangkan yang beredar di pasaran sejak lama, misalnya IRFZ44 di angka sekitar 1800pf. Itulah yang membuat mosfet Galium memiliki swiching yang sangat cepat 1-10ns. Untuk Sic mosfet, gate charge diminimalisir dibandingkan generasi sebelumnya. Namun masih diatas Gan FET untuk Cissnya sekitar 1000pf.

Menambahkan AMS1117 Pada proteus

Part baru tentu merepotkan bila tidak ada di library. Harganya murah, semakin banyak digunakan untuk power regulator linear 5V. Misalnya untuk mikrokontroler, dll.Maka kita bisa tambahkan bila packaging ada persamaan di library lama. Cara menambahkan library AMS1117 regulator arduino, yaitu dengan melakukan decompose 7805, ganti pin kaki sesuai ams 117. Selanjutnya making device, delete default packacge diganti SOT-223. Lalu making device selesai. Selamat mencoba.

Tuesday, November 15, 2016

Power disipasi mosfet Pd

Power disipasi mosfet adalah daya yang mampu dilewati oleh sebuah mosfet. Arus besar selalu di tampilkan di datasheet. Akan tetapi biasanya untuk tegangan rendah (0-10volt). Sedangkan sifat resistansi atau resistor mosfet (Rds-on) selalu melekat seperti resistor. Mosfet akan membuang energi yang terdisipasi menjadi panas.

Untuk memilih mosfet yang tepat, itu pekerjaan yang tidak mudah untuk designer elektronik pemula. Misalnya untuk switching mppt/SMPS dengan tegangan kerja 55volt atau 500volt atau 100volt. Yang paling diperhatikan untuk memilih mosfet yang tepat adalah pertama rating tegangan harus minimal sama dengan saat kondisi open circuit. atau kalau mau dibawah open circuit bisa diproteksi dengan voltage suppresor. Supaya bisa memilih mosfet dengan Rds on yang lebih rendah. Perancang mosfet membuat rating tegangan selalu diikuti resistansi yang ideal. Misalnya untuk mosfet dibawah 50volt biasanya memiliki resistansi yang rendah (dibawah 25 mili ohm). Sedangkan mosfet 150 volt memiliki resistansi sekitar 10-50 miliohm. untuk mosfet tegangan tinggi, 500-800 volt pasti memiliki resistansi yang lebih tinggi. Nilai dari Rds on akan naik mengikuti temperatur kerja. Faktor design, topology, lay-out dan terakir pembuangan panas sangat mempengaruhi effisiensi performa harware. Semakin tinggi duty cycle, maka panas yang terdisipasi makin besar. Grafik bisa dilihat di datasheet. Untuk input capacitance Ciss, sangat menentukan berapa lama device on.

Device inovasi terbaru yaitu Gan FET, Galium memiliki karakter Ciss yang rendah. sekitar 350pf. Untuk mengidupkan total hanya diperlukan energy yang kecil. delay antara 1-10 us. Sayangnya belum begitu banyak beredar versi yang DIY.

Contoh mosfet yang saya pakai IXIS 100N50. Typikal 100A, max 500volt. Pd 1500watt. Rds on 49miliOhm. Ciss +/-14000pf. Untuk mengidupkan total mosfet ini diperlukan energy yang cukup besar. Sehingga delay turn on cukup lama. 150ns-500ns. Tergantung dari kemampuan driver. Jika driver hanya mampu 1000pf, maka delay/50ns, maka total delay turn on minimal = 50 x 14 = 700ns. Mendekati 1us. Artinya kemampuan frekuensi switcing mosfet tersebut dikurangi oleh delay. Pada saat delay adalah masa perubahan resistansi. dari resistansi tinggi menjadi Rds on (transien).

Monday, November 14, 2016

Resistor Shunt kawat tembaga 1,2mm

Aplikasi resistor shunt cukup banyak. Efisiensi sekarangan menjadi kewajiban bagi stiap alat. Dituntut memiliki effisiensi yang tinggi. Sama halnya dengan resistor shunt. Saya dapat referensi dari microchip.
Mengukur input PV dan output charger dengan resistor shunt 5miliOhm.

Perhitungan sbb:
Shunt 0,005 Ohm
pada saat arus masuk sebesar 10A maka;
V=ixR
V=10 x 0,005
V=0,05Volt.
Berhubung input PV lebih rendah dari Ground, maka nilainya negatif.(-0,05Volt).
Maka digunakan inverting Amplifier(OP-Amp).

Gain  = -100.
Vgain = Vread x Gain
Vgain = -0,05 x -100
Vgain = 5Volt.

Jadi nilai 5 volt bisa dibaca Adc (Analog to digital converter) atau sebagai sensor arus pada mikrokontroler.
Shunt bisa dibuat dengan menghitung resistansi kabel/kawat. 5miliOhm setara kawat tembaga annealing (yang digulung tidak terlalu susah/agak lunak) dengan diameter 1,2mm dengan panjang 350mm atau 35cm. Anda bisa buat sendiri.

Sedangkan shunt satu sisi yang lain nilai yang diperoleh positif/ lebih tinggi dari ground, maka menggunakan non inverting amplifier.

Pemanfaatan Saturation Mosfet

Mosfet memiliki karakteristik semikonduktor. Semakin tinggi Rds on maka arus yang keluar akan semakin kecil. Selama ini sifat saturation mosfet jarang dipakai. Rata-rata designer hanya mencari nilai optimum Rds on, tegangan capacitance dan thermal. Kali ini saya akan memakai mosfet IRF 9540. Mosfet type P.Chanel. Sifatnya yaitu apabila tegangan gate dibawah positif 5 volt atau -5 maka mosfet akan on. Sedangkan bila gate diberi tegangan sama dengan sumber(source), maka mosfet akan mati(totally turn off). Tegangan saturation mosfet digunakan untuk mensuply LED atau 7805 yang sifatnya linear. Semakin tinggi perbedaan tegangan maka akan semakin banyak panas yang terbuang. Saturation mosfet type tsb adalah -2 sampai -4 Volt .Dengan resistor 47k dari gate ke sumber (+), dan resistor 47k series 3 (=141k), maka tegangan dari gate ke sumber = -3,2Volt. Maka mosfet sudah dalam kondisi saturation. Dalam kondisi ini tegangan drain dalam kondisi open circuit diukur = tegangan sumber. Namun apabila diberi load 500 ohm saja, maka tegangan akan drop ke 8-9 Volt. Drop tegangan tidak seperti resistor shunt yang dibuang menjadi panas. Namun seperti sifat dioda atau semikonduktor yang lain, arus ada yang dibuang dan ada yang tertahan. Berhubung Power disipasi mosfet cukup besar maka lebih baik sifatnya daripada resistor yang power disipasinya lebih kecil.
Sifat tersebut bisa dimanfaatkan untuk menurunkan tegangan misalnya dari 60V ke nilai tertentu dengan bantuan DC-DC converter yang lain. Misalnya LM2596,LM2576. Tegangan maksimum dari converter tersebut maksimal 40V, Absolut 45V. Akan tepat jika 60V dipasangkan dengan mosfet saturation tadi. dengan proteksi Zener 45Volt/42Volt maka converter akan aman. Nah anda sudah bisa membuat power suply dari 60V ke 12V/5V/adjustable. Berhubung sifat dari saturation mosfet hanya bisa untuk ampere kecil sekitar 10-50mA. Maka cocok untuk power suply mikrocontroler. untuk variasi ampere yang besar bisa digunakan mosfet yang besar yang dikendalikan dari mikrocontroler(PWM).