Tehnologie cu bandă interzisă largă pentru maximizarea eficienței și a densității de putere în iluminatul cu leduri de înaltă tensiune

Iluminatul cu leduri de înaltă tensiune s-a dovedit a fi un înlocuitor viabil pentru tehnologiile anterioare, cum ar fi iluminatul cu descărcare de înaltă intensitate (HID). Odată cu adoptarea iluminatului cu leduri de înaltă tensiune, mulți producători s-au grăbit să producă și să implementeze o varietate de aplicații. Deși s-a înregistrat o creștere semnificativă a calității luminii și a densității de putere, eficiența a devenit un aspect important de abordat. De asemenea, în cazul primelor aplicații, ratele de eșec au fost mult mai mari decât se așteptau. Principala provocare a iluminatului cu leduri de înaltă tensiune este creșterea continuă a densității de putere și a eficienței, precum și obținerea unui grad mai ridicat de fiabilitate și accesibilitate pentru aplicațiile viitoare. Acest articol va prezenta tehnologia (GaN) cu bandă interzisă largă și modul în care aceasta poate rezolva problema eficienței și a densității de putere pentru iluminatul cu leduri de înaltă tensiune. Această discuție va arăta cum poate fi utilizată tehnologia cu bandă interzisă largă pentru a maximiza eficiența și densitatea de putere, punând accentul pe porțiunea de coborâre a arhitecturii driverului de leduri prezentată în Figura 1.

Semiconductorii cu bandă interzisă largă (GaN) pot funcționa la frecvențe de comutare mai mari în comparație cu semiconductorii convenționali, cum ar fi siliciul. Materialele cu bandă interzisă largă necesită o cantitate mai mare de energie pentru a excita un electron, astfel ca acesta să sară din partea superioară a benzii de valență în partea inferioară a benzii de conducție, unde poate fi utilizat în circuit. Prin urmare, creșterea benzii interzise are un impact mare asupra unui dispozitiv (și permite o dimensiune mai mică a matriței pentru efectuarea unei acțiuni similare). Materialele precum nitrura de galiu (GaN), care au o bandă interzisă mai mare, pot rezista la câmpuri electrice mai puternice. Atributele critice pe care le au materialele cu bandă interzisă largă sunt vitezele ridicate ale electronilor liberi și densitatea mai mare a câmpului de electroni. Aceste atribute cheie fac ca întrerupătoarele GaN să fie de până la 10 ori mai rapide și semnificativ mai mici, având în același timp aceeași rezistență și tensiune de declanșare ca o componentă similară din siliciu. GaN este perfectă pentru aplicațiile cu leduri de înaltă tensiune, deoarece aceste atribute cheie o fac ideală pentru implementarea în viitoarele aplicații de iluminat.

Figura 1: arhitectura de sistem a unui driver de led de mare putere neizolat. (Sursa imaginii: STMicroelectronics)

Figura 1 prezintă o arhitectură de nivel înalt a unei aplicații de iluminat cu leduri care va servi drept exemplu de bază pentru aplicarea tehnologiei GaN cu bandă interzisă largă. Deși materialele cu bandă interzisă largă pot fi implementate în toate aplicațiile, coborârea generatorului de curent de înaltă tensiune, evidențiată în verde, va fi punctul central pentru valorificarea tehnologiei cu bandă interzisă largă pentru a maximiza eficiența și densitatea de putere. Majoritatea aplicațiilor de iluminat necesită un factor de putere ridicat și o distorsiune armonică redusă pe o gamă largă de tensiuni de intrare de curent alternativ. În acest caz, este preferabil să se implementeze o amplificare PFC pentru a furniza o intrare curată de 400 V _c.c.pentru driverul ledului și pentru a îndeplini cerințele de calitate a energiei. Există mai multe opțiuni pentru un convertor de amplificare PFC frontal; modul de tranziție (TM), modul de conducție continuă (CCM), precum și altele. Modul de tranziție este caracterizat de funcționarea la frecvență variabilă și de comutarea cu curent zero la pornirea MOSFET-ului de putere. Alte avantaje sunt designul simplu, dimensiunea mică a inductorului și lipsa recuperării inverse a diodei de amplificare. Principalele provocări sunt reprezentate de curentul de intrare de vârf și RMS ridicat, ceea ce duce, de asemenea, la un filtru EMI mai mare, pe măsură ce puterea crește. În schimb, CCM asigură o funcționare cu frecvență fixă. Curentul inductorului de amplificare are întotdeauna o componentă medie, în afară de punctele de trecere aproape de zero. Inductorul este proiectat pentru o ondulație de 20-30%, ceea ce duce la un filtru EMI mai mic în comparație cu funcționarea TM. Asta înseamnă, de asemenea, un inductor de amplificare mai mare și un filtru EMI mai mic pentru aceeași putere de ieșire, în comparație cu funcționarea TM. Principalele provocări sunt controlul mai complex și necesitatea unei diode de recuperare progresivă ultra-rapidă sau a unei diode SiC. În consecință, PFC CCM este, în general, mai costisitor decât PFC TM. În mod ideal, în locul diodei de redresare în PFC-urile CCM se poate utiliza un comutator cu recuperare inversă zero. Acest lucru face ca tranzistorii GaN să fie candidați foarte buni pentru această aplicație.

Izolarea este opțională și poate fi introdusă între etajul de intrare și cel de-al doilea etaj de conversie a puterii. În acest exemplu, izolarea nu este utilizată, iar etajul PFC de intrare este urmat de un etaj de coborâre inversă neizolat cu control CC/CV. În cazurile în care este necesară izolarea, se poate utiliza un convertor de putere rezonant (LLC, LCC) sau un convertor cu retur reductor, în funcție de cerințele de putere de ieșire ale aplicației.

Convertorul de amplificare PFC generează o tensiune de magistrală c.c. reglată la ieșire (mai mare decât vârful tensiunii de intrare c.a.) și transmite această tensiune de magistrală c.c. mai mare la etajul convertorului de coborâre inversă. Operațiunea de reducere este destul de simplă. Atunci când comutatorul din coborâre este pornit, tensiunea inductorului este diferența dintre tensiunea de intrare și cea de ieșire (V_IN – V_OUT). Când comutatorul este oprit, dioda de captare redresează curentul și tensiunea inductorului este aceeași cu tensiunea de ieșire.

Sistem MasterGaN în pachet (SiP) pentru drivere de leduri

Pe lângă densitatea de putere și eficiență, o provocare cheie pentru aplicațiile de iluminat de înaltă tensiune este complexitatea proiectării. Prin utilizarea semiconductorilor cu bandă interzisă largă, cum ar fi GaN, densitatea de putere și eficiența circuitului pot fi crescute. Familia MasterGaN de la ST abordează această provocare prin combinarea driverelor de poartă de înaltă tensiune și putere inteligentă din procesul BCD cu tranzistori GaN de înaltă tensiune într-un singur pachet. MasterGaN permite o implementare ușoară a topologiei prezentate în Figura 1. Acesta încorporează doi tranzistori GaN HEMT de 650 V în configurație cu punte parțială, precum și driverele de poartă. În acest exemplu, întregul etaj de putere de coborâre este integrat într-un singur pachet QFN de 9x9 mm care necesită un număr minim de componente externe. Chiar și dioda bootstrap, necesară de obicei pentru a alimenta secțiunea izolată de înaltă tensiune a unui driver de poartă dublu cu punte parțială, high-side/low-side, este încorporată în SiP. În consecință, densitatea de putere a unei aplicații care utilizează un dispozitiv MasterGAN poate fi crescută dramatic în comparație cu o soluție standard din siliciu, în timp ce crește frecvența de comutare sau puterea de ieșire. Mai exact, în această aplicație cu driver de leduri, s-a obținut o reducere cu 30% a suprafeței PCB și nu au fost utilizate radiatoare.

Pentru aplicațiile de iluminat cu leduri de mare putere, CCM este cel mai bun mod de funcționare. Atunci când se implementează CCM cu dispozitive GaN, vor exista și beneficiile de nivel înalt discutate anterior, precum și un cost redus. Nu ar fi nevoie de R_DSON foarte scăzut pentru a deservi aplicații de mare putere, datorită contribuției reduse a pierderilor de comutație la pierderile de putere globale. De asemenea, GaN atenuează un dezavantaj major al utilizării CCM prin eliminarea pierderilor de recuperare și reducerea EMI, deoarece GaN nu are recuperare inversă. În plus, funcționarea CCM cu controlul timpului de oprire fix facilitează foarte mult compensarea dependenței ondulației curentului de ieșire față de V_OUT. Este clar că implementarea comutatorului GaN folosind CCM este o combinație excelentă pentru aplicațiile de iluminat cu leduri de înaltă tensiune, precum și pentru multe altele.

În Figura 2 este prezentată schema de bază a unei topologii de coborâre inversă, împreună cu o implementare care utilizează MASTERGAN4.

Figura 2: topologia de coborâre inversă implementată cu MASTERGAN4. (Sursa imaginii: STMicroelectronics)

MASTERGAN4 încorporează doi tranzistori GaN de 225 mΩ (tipic la 25 °C) de 650 V în configurație cu punte parțială, un driver de poartă cu punte parțială dedicat și dioda bootstrap. Acest nivel ridicat de integrare simplifică proiectarea și minimizează suprafața PCB într-un mic pachet QFN de 9x9 mm. Placa de evaluare prezentată în Figura 3 a fost proiectată cu MASTERGAN4 într-o topologie de coborâre inversă și are următoarele specificații: acceptă o intrare de până la 450 V, tensiunea de ieșire a șirului de leduri poate fi setată între 100 V și 370 V; funcționează în CCM cu timp de oprire fix (FOT) cu o frecvență de comutare de 70 kHz; curentul maxim de ieșire este de 1 A.

Figura 3: exemplu de demonstrație a coborârii inverse cu MASTERGaN4. (Sursă imagine: STMicroelectronics)

Controlerul din această soluție, HVLED002, este utilizat pentru a genera un singur semnal de control PWM. Un circuit extern bazat pe declanșatoare Schmitt simple este apoi utilizat pentru a genera două semnale complementare pentru a comanda tranzistorii GaN high-side și low-side cu un timp de nefuncționare adecvat. Două regulatoare liniare sunt, de asemenea, incluse pentru a genera tensiunile de alimentare necesare pentru MASTERGAN4. Topologia de coborâre inversă implementată cu MASTERGAN4 creează o soluție pentru creșterea densității de putere și a eficienței, dar lăsați rezultatele prezentate mai jos să vorbească de la sine.

Rezultate experimentale:

Graficele eficienței din Figura 4 arată avantajele soluției propuse în comparație cu o soluție tradițională din siliciu, ca o funcție a tensiunii șirului de leduri pentru curenți de ieșire de 0,5 A și 1 A.

Figura 4: eficiența în funcție de tensiunea ledului pentru MOSFET-urile MasterGaN și Silicon. (Sursă imagine: STMicroelectronics)

Eficiența MASTERGAN4 se menține la sau depășește 96,8% pe întreaga gamă de tensiune a șirului de leduri. Este posibil să se observe că, la toate nivelurile de putere, câștigul la eficiență este maximizat datorită pierderilor de conducție scăzute, precum și pierderilor minime de comandă și de comutare ale soluției GaN.

Tabelul 1: compararea dimensiunilor pentru GaN și MOSFET de siliciu

Tabelul 1 compară soluția pe bază de siliciu cu soluția bazată pe MASTERGAN4. După cum se vede, se observă o reducere de peste 30% a suprafeței totale a PCB cu implementarea proiectului GaN. Rezultatele arată o cale care poate fi urmată cu GaN în această topologie cu coborâre inversă. Creșterea frecvenței de comutare la peste 70 kHz poate reduce dimensiunea inductorului și a condensatorului de ieșire în detrimentul unor pierderi mai mari la comandă și comutare. La o frecvență mai mare și la o dimensiune redusă a filtrului, condensatorii electrolitici pot fi înlocuiți cu condensatori ceramici mai fiabili și mai mari. Compromisul dintre dimensiunea condensatorului de filtrare și a inductorului de coborâre poate fi optimizat în funcție de frecvența de comutare cerută de aplicația țintă.

Concluzii

Acest articol a discutat despre implementarea unei topologii de coborâre inverse pentru aplicații de iluminat cu leduri bazate pe MASTERGAN4. Configurația sistemului în pachet are tranzistori GaN de 650 V, 225 mΩ în configurație cu punte parțială și drivere de poartă dedicate. Soluția GaN în comparație cu cea cu siliciu prezintă o eficiență mai mare și o suprafață PCB redusă. MasterGaN este soluția ideală pentru o implementare compactă, de înaltă eficiență și de mare putere, cu implementarea coborârii inverse pentru aplicații de iluminat.