Ultra-Fast and Compact GaN-Based Power Amplifier as an Arbitrary Voltage Generator

Resumen

In devices such as arbitrary voltage generators (AVGs), which are required for automated testing and measurement applications in automotive and consumer industry, the characteristics such as ultra-low noise, fast response, small size and scalability are of crucial importance. Conventional solutions based on linear power amplifiers (LPAs) are, however, faced with serous limitations when it comes to further improvements in terms of cost, density of packaging and power efficient operation. In order to tackle these challenging requirements, different techniques are considered in this thesis, to strength the performance of conventional LPAs. The proposed methodology consists of selecting a suitable switch-mode converter topology, cutting-edge technology for semiconductors and magnetic materials, fast digital control hardware and a proper optimization workflow to explore the limits of the defined design-space. This results in a high efficiency and exceptionally small size of designed power amplifiers. The thesis is organized as follows. In Chapter 1, the motivation for research is explained and the major contributions of the thesis with a list of publications are involved. A Hybrid Power Amplifier (HPA)-system which combines an LPA and a single GaN-based Tracking Power Supply (TPS) is proposed in Chapter 2 and further elaborated in Chapter 6. The TPS operates as a high-frequency two-level inverter and modulates simultaneously both LPA supply rails. The TPS is accompanied with a two-stage output filter in order to provide sufficient attenuation for the high-frequency noise generated by the switching stage. Digital FPGA-based control that combines an inner current loop and an outer voltage loop is employed in order to provide stable and robust operation of the HPA. A fully automated design procedure of multistage output filter dimensioning for required static and dynamic characteristics of the system is proposed in Chapter 3. This approach combines key waveform construction in time domain and evaluates critical aspects of the output filter, such as output voltage ripple, maximum achievable slew-rate of the output voltage and load transient immunity. Once the parameters of the output filter are determined, a design of active and passive component takes place. Full utilization of disruptive GaN wide bandgap semiconductor technology and high-frequency MnZn and NiZn ferrite materials is enabled by a proper evaluation of power losses in all the components. Power loss evaluation of power transistors, custom-made inductors and off-the-shelf components (inductors and capacitors) based on behavioral analytical equations is employed. This procedure enables virtual prototyping and prior performance assessment of the system in terms of efficiency and power density, based on datasheet-provided information. This step plays a key role in the understanding of important design trade-offs and it is thoroughly elaborated in Chapter 4. In order to design properly feedback control loops for the proposed high-frequency inverter with two-stage output filter, a model-based optimization of digital peak current mode control (DPCMC) is performed in Chapter 5. For the given list of power stage parameters, output voltage range and dynamic specifications, the optimization engine finds all feasible solutions and retrieves the most suitable parameter set comprised of four parameters: minimum resolution of digital-to-analog converter, PI voltage regulator gains and the compensation ramp slope. Additionally, hardware implementation of voltage and current sense circuits is proposed. The implementation details and experimental evidence for the proposed HPA system are involved in Chapter 6. Hardware prototypes are designed for LV case (±40V, 10W) and HV case (±100V, 20W), and switched at 1MHz and 800kHz, respectively. The size of the TPS is in the range of 10cm2 and the efficiency higher than 96 % is achieved in nominal operation. The experimental results clearly show that it is possible to obtain power savings between 20% and 95% when TPS is employed. Although commercially available LPAs are equipped with integrated overcurrent protection, this feature may be corrupted when the proposed hybrid configuration with switch-mode TPS is utilized. In order to reinforce the protection and upgrade the initially proposed solution, a modification that saves the LPA from catastrophic failure is proposed. It consists of two diode-capacitor auxiliary circuits that do not affect the original system functionality. Experimentally obtained waveforms for normal system operation and behavior under short-circuit of the LPA output terminal are presented in Chapter 7. In Chapter 8, a three-level GaN-based Active Neutral Point Clamped (ANPC) Converter as a switch-mode high-current alternative to the designed HPA is proposed. An open-loop proof-of-concept 100 W prototype switched at 1.75 MHz is designed and tested, showing superior behavior for substantially more aggressive dynamic conditions and increased output current capability. Thermal management of the converter is successfully solved combining forced air-cooling and pyrolytic graphite sheets for heat spreading. The measured efficiency exceeds 95% in DC conditions, whereas the measured efficiency for nominal trapezoidal voltage (2V/μs) output is above 93 %. Lastly, the thesis is concluded in Chapter 9 and an outlook on possible improvements is provided. ----------RESUMEN---------- En dispositivos como el generador de tensión arbitraria, que se requieren para aplicaciones de prueba y medición automatizadas en la industria automotriz y de consumo, las características como el ruido ultra bajo, la respuesta rápida, el pequeño tamaño y la escalabilidad son de vital importancia. Sin embargo, las soluciones convencionales basadas en amplificadores de potencia lineales se enfrentan a limitaciones serias cuando se trata de mejoras adicionales en términos de coste, densidad de empaquetamiento y operación de eficiencia energética alta. Para abordar estos requisitos desafiantes, en esta tesis se consideran diferentes técnicas para fortalecer el desarrollo de los amplificadores de potencia lineales convencionales. La metodología propuesta consiste en seleccionar una topología de convertidor conmutado adecuada, utilizar tecnologías de vanguardia para semiconductores y materiales magnéticos, emplear hardware de control digital rápido y un flujo de trabajo de optimización adecuado para investigar los límites del espacio de diseño definido. Esto resulta en una alta eficiencia y un tamaño excepcionalmente pequeño de los amplificadores de potencia diseñados. La tesis está organizada de la siguiente manera. En el Capítulo 1, se explica la motivación para la investigación y se describen las contribuciones principales de la tesis, incluyendo una lista de las publicaciones adquiridas. En el Capítulo 2 se propone un sistema de amplificador de potencia híbrido (HPA) que combina un amplificador de potencia lineal (LPA) y una fuente de alimentación de seguimiento (TPS) basada en GaN. Este sistema se detalla en el Capítulo 6. El TPS funciona como un inversor de dos niveles de alta frecuencia y modula simultáneamente ambas tensiones de alimentación del LPA. Un filtro de salida de dos etapas acompaña el TPS para proporcionar una atenuación suficiente para el ruido de alta frecuencia generado por la etapa de conmutación. Se emplea un control digital basado en FPGA que combina un bucle de corriente interno y un bucle de tensión externo para proporcionar un funcionamiento estable y robusto del HPA. En el Capítulo 3 se propone un procedimiento de diseño completamente automatizado del filtro de salida con etapas múltiples, para las características estáticas y dinámicas requeridas para el sistema propuesto. Este método combina la construcción de formas de ondas clave en el dominio de tiempo y evalúa los aspectos críticos del sistema, como por ejemplo el ruido de la tensión de salida, la velocidad máxima de respuesta de la tensión de salida y la inmunidad a los saltos de carga. Una vez se determinan los parámetros del filtro de salida, se lleva a cabo un diseño de componentes activos y pasivos. La utilización completa de la tecnología disruptiva de semiconductores de banda ancha de GaN y los materiales de ferrita MnZn y NiZn de alta frecuencia es posible solamente mediante una evaluación adecuada de las pérdidas de potencia en todos los componentes. Por lo tanto, se emplea la evaluación de pérdida de potencia de transistores de potencia, inductores hechos a medida y componentes estándar (bobinas y condensadores) basados en ecuaciones analíticas de comportamiento. Este procedimiento permite la creación de prototipos virtuales y la evaluación previa del rendimiento del sistema en términos de eficiencia y densidad de potencia, basándose en la información proporcionada por la hoja de datos. Este paso juega un papel clave en la comprensión de los trade-offs importantes de diseño y se explica detalladamente en el Capítulo 4. Para diseñar correctamente los lazos de control para el inversor de alta frecuencia con filtro de salida de dos etapas propuesto, en el Capítulo 5 se realiza una optimización basada en modelos del control de modo de corriente pico digital (DPCMC). Para la lista de parámetros de la etapa de potencia, el rango de tensión de salida y las especificaciones dinámicas, el proceso de optimización encuentra todas las soluciones factibles y elije el conjunto de parámetros más adecuado, compuesto por cuatro parámetros: la resolución mínima del conversor digital-analógico, las ganancias proporcional e integral del regulador de tensión PI y la pendiente de la rampa de compensación. Además, se propone la implementación de hardware de circuitos de detección de tensión de salida y de corriente. Los detalles de la implementación y los resultados experimentales para el sistema HPA propuesto están presentados en el Capítulo 6. Los prototipos de hardware están diseñados para los casos de tensión baja (±40 V, 10 W) y de tensión alta (±100 V, 20 W), y conmutados a 1MHz y a 800 kHz, respectivamente. El tamaño del TPS está en el rango de 10 cm2 y la eficiencia supera el 96% en el punto de operación nominal. Los resultados experimentales muestran claramente que es posible obtener ahorros de energía entre el 20% y el 95% cuando se emplea el TPS comparado con el LPA sin el TPS. Aunque los LPA en el mercado están equipados con protección contra sobrecorriente integrada, esta característica puede dañarse cuando se utiliza la configuración híbrida propuesta con el TPS. Para reforzar la protección y actualizar la solución propuesta inicialmente, se propone una modificación que salva al LPA de fallos catastróficos. Consiste en dos circuitos auxiliares formados por un diodo y un condensador que no afectan la funcionalidad del sistema original. Las formas de onda obtenidas experimentalmente para el funcionamiento normal del sistema y el comportamiento en cortocircuito del terminal de salida del LPA se presentan en el Capítulo 7. En el Capítulo 8, se propone un convertidor de punto neutro fijo activo (ANPC) basado en GaN de tres niveles como alternativa de alta corriente al HPA diseñado. Se ha diseñado y probado un prototipo de 100 W conmutado a 1.75 MHz, que muestra un comportamiento superior para condiciones dinámicas más agresivas y una mayor capacidad de corriente de salida. La gestión térmica del convertidor se resuelve con éxito combinando refrigeración por aire forzado y láminas de grafito pirolítico para la difusión del calor. La eficiencia medida supera el 95 % en condiciones de CC, mientras que la eficiencia medida para la salida de tensión trapezoidal nominal (2V/|xs) es superior al 93%. Por último, la tesis se concluye en el Capítulo 9 y se proporciona una perspectiva de posibles mejoras.