Wykorzystanie zintegrowanych przełączników azotkowo-galowych (GaN) w wysokosprawnych, ekonomicznych zasilaczach typu offline

Zakres zastosowań kompaktowych 100-watowych zasilaczy wciąż rośnie, od ładowarek i zasilaczy prądu zmiennego-stałego, ładowarek USB typu Power Delivery (PD) i adapterów szybkiego ładowania (QC), po oświetlenie LED, sprzęt AGD, napędy silnikowe, inteligentne liczniki i systemy przemysłowe. Dla projektantów zasilaczy offline typu flyback wyzwaniem jest zapewnienie wytrzymałości i niezawodności przy jednoczesnym dalszym obniżeniu kosztów, poprawie sprawności i ograniczeniu rozmiarów w celu zwiększenia gęstości mocy.

Aby rozwiązać wiele z tych problemów, projektanci mogą zastąpić krzemowe (Si) przełączniki mocy urządzeniami opartymi na technologiach szerokiej przerwy energetycznej (WBG), takich jak azotek galu (GaN). Przekłada się to bezpośrednio na poprawę sprawności zasilania i zmniejszenie zapotrzebowania na chłodzenie, co pozwala na zwiększenie gęstości mocy. Jednak sterowanie przełączników azotkowo-galowych (GaN) jest trudniejsze w porównaniu do krzemowych (Si).

Projektanci mogą przezwyciężyć problemy związane z szybkim przełączaniem, takie jak pojemność i indukcyjność pasożytnicza oraz oscylacje wysokiej częstotliwości, ale wymaga to dodatkowego czasu i kosztów. Zamiast tego projektanci mogą sięgnąć po przełączające układy scalone o wysokim stopniu integracji offline typu flyback z wbudowanymi , urządzeniami mocy na bazie azotku galu (GaN).

W niniejszym artykule omówiono pokrótce zalety technologii GaN i wyzwania związane z jej projektowaniem. Następnie przedstawiono trzy platformy przełączających układów scalonych offline typu flyback z wewnętrznymi przełącznikami mocy GaN firmy Power Integrations i pokazano, jak można je wykorzystać do produkcji wysokosprawnych przetwornic mocy. Omówiono uzupełniające układy scalone MinE-CAP do miniaturyzacji kondensatorów magazynujących i zarządzania prądem udarowym, a także przydatne środowisko projektowe online.

Czym jest azotek galu (GaN) i jakie ma zalety?

Azotek galu (GaN) jest materiałem półprzewodnikowym o szerokiej przerwie energetycznej (WBG), który w porównaniu do krzemu (Si) charakteryzuje się niską rezystancją w stanie włączenia, wysoką wytrzymałością na przebicie, szybkim przełączaniem i wysoką przewodnością cieplną. Zastosowanie azotku galu (GaN) zamiast krzemu (Si) umożliwia produkcję przełączników, które mają znacznie niższe straty przełączania podczas włączania i wyłączania. Ponadto, urządzenia GaN z równoważną rezystancją są znacznie mniejsze niż ich odpowiedniki wykonane z krzemu. W rezultacie, dla danego rozmiaru struktury, przełącznik mocy GaN ma niższe łączne straty przewodzenia i straty przełączania (ilustracja 1).

Ilustracja 1: Dla danego rozmiaru struktury, urządzenia GaN mają niższą rezystancję włączania, co prowadzi do niższych strat całkowitych w porównaniu z tranzystorami krzemowymi MOSFET. (Źródło ilustracji: Power Integrations)

Technologia azotku galu (GaN) posiada wyraźne zalety, jednak projektowanie pod kątem jej zastosowania może być trudne. Na przykład, ze względu na niezwykle szybkie przełączanie urządzeń GaN, układy obwodów sterujących mogą być bardzo wrażliwe na pojemności i indukcyjności pasożytnicze z płytki drukowanej i z dyskretnych układów GaN. Szybkie skoki napięcia (dv/dt) i oscylacje wysokiej częstotliwości, które mogą wystąpić podczas sterowania urządzeniami GaN, powodują powstawanie większych zakłóceń elektromagnetycznych (EMI), które muszą być odfiltrowane, aby zapobiec obniżeniu sprawności przetwornicy. Ponadto szybkie przełączanie urządzeń GaN utrudnia ich ochronę przed zakłóceniami, ponieważ mogą one ulec uszkodzeniu szybciej, niż zdążą zareagować układy zabezpieczające.

Prostota bez poświęcania wydajności

Firma Power Integrations rozwiązała te problemy dzięki quasi-rezonansowym, przełączającym układom scalonym PowiGaN: InnoSwitch3-CP, InnoSwitch3-EP oraz InnoSwitch3-Pro (ilustracja 2). PowiGaN to opracowana przez firmę Power Integrations technologia przełączników mocy GaN, która zastępuje tradycyjne tranzystory krzemowe po stronie pierwotnej w przełączających układach scalonych offline typu flyback InnoSwitch3. Zamiast tego, integruje ona obwody pierwotne, wtórne i sprzężenia zwrotnego w jednej, montowanej powierzchniowo (SMD) obudowie InSOP-24D. W ten sposób urządzenia zmniejszają złożoność układu sterownika i emisje zakłóceń elektromagnetycznych (EMI), jednocześnie redukując straty przewodzenia i przełączania, co umożliwia stosowanie bardziej wydajnych, lżejszych i mniejszych zasilaczy i ładowarek oraz zasilaczy typu open frame.

Zastosowanie takiego podejścia pozwala projektantom zasilaczy skupić się na kwestiach dostarczania energii, zapewnieniu termicznych parametrów działania, wymiarach i innych aspektach zastosowania, bez zajmowania się trudnościami technologii azotku galu (GaN).

Trzy grupy InnoSwitch3 z technologią PowiGaN są zoptymalizowane dla określonych klas zastosowań:

• Układ InnoSwitch3-CP jest przeznaczony do zastosowań takich jak ładowanie akumulatorów, które mogą korzystać ze stałego profilu mocy.
• Układ InnoSwitch3-EP jest przeznaczony dla zasilaczy prądu zmiennego-stałego typu open frame w szerokim zakresie zastosowań konsumenckich i przemysłowych.
• Urządzenia InnoSwitch3-Pro posiadają interfejs cyfrowy I²C do sterowania wartościami zadanymi stałego napięcia (CV) i stałego prądu (CC), opcji trybu bezpieczeństwa i obsługi wyjątków za pomocą oprogramowania.

Układy scalone InnoSwitch3 charakteryzują się sterowaniem quasi-rezonansowym, sprawnością do 95% w pełnym zakresie obciążenia, obsługują dokładne wyjścia stałego napięcia (CV), stałego prądu (CC) i stałej mocy (CP), spełniając wymagania różnorodnych zastosowań. Zawierają one również bezstratną technologię pomiaru prądu. Technologia ta eliminuje również potrzebę stosowania zewnętrznych rezystorów mierzących prąd, które obniżają sprawność, a które mogą nawet przekraczać rezystancję wielu przełączników GaN w układach dyskretnych.

Inne kluczowe cechy omawianych przełączników to: pomiar po stronie wtórnej, dedykowany sterownik dla tranzystorów MOSFET z synchronicznym prostowaniem, zintegrowane indukcyjne złącze sprzężenia zwrotnego FluxLink pomiędzy sterownikami po stronie pierwotnej i wtórnej z izolacją >4000V prądu zmiennego (V~), zgodność z globalnymi wymaganiami w zakresie sprawności energetycznej, niski poziom zakłóceń elektromagnetycznych (EMI), zgodność z przepisami i normami w zakresie bezpieczeństwa (aprobata UL1577 i TUV (EN60950 i EN62368) oraz natychmiastowa odpowiedź impulsowa dla 100% stopni obciążenia.