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

Miniaturyzacja kondensatorów magazynujących i zarządzanie prądem udarowym

Aby jeszcze bardziej zredukować liczbę komponentów i zwiększyć wydajność zasilaczy prądu zmiennego-stałego, projektanci wykorzystujący układy scalone InnoSwitch3 PowiGaN mogą również użyć uzupełniającego układu scalonego MinE-CAP do miniaturyzacji kondensatorów masowych i zarządzania prądem udarowym w projektach o bardzo dużej gęstości mocy (ilustracja 8). Układ MinE-CAP może zmniejszyć objętość wejściowych kondensatorów magazynujących nawet o 50% i eliminuje potrzebę stosowania termistora o ujemnym współczynniku temperaturowym (NTC) ograniczającego prąd udarowy. Zastosowanie układu MinE-CAP zmniejsza również obciążenia na wejściowym mostku prostowniczym i bezpieczniku, co skutkuje poprawą niezawodności zasilania.

Ilustracja 5: Układ scalony MinE-CAP ze zminiaturyzowanymi kondensatorami magazynującymi, zarządzający prądem udarowym jest naturalnym uzupełnieniem układów przełączających InnoSwitch3 offline typu flyback w zasilaczach prądu zmiennego-stałego o wysokiej gęstości upakowania. (Źródło ilustracji: Power Integrations)

Podobnie jak układy scalone InnoSwitch3, również układ MinE-CAP wykorzystuje małe rozmiary i niską rezystancję urządzeń PowiGaN, aby uzyskać wyższe parametry działania systemu. Układ MinE-CAP automatycznie podłącza i odłącza segmenty układu kondensatorów magazynujących w zależności od warunków napięcia linii prądu zmiennego. Umożliwia to projektantom wykorzystanie najmniejszego kondensatora (CHV na ilustracji 8) do pracy przy wysokim napięciu sieci prądu zmiennego, podczas gdy większość energii jest magazynowana w kondensatorach o niższym napięciu (CLV) do wykorzystania w warunkach niskiego napięcia sieci. Ponieważ kondensatory niskiego napięcia są znacznie mniejsze niż kondensatory wysokiego napięcia, zastosowanie układu MinE-CAP zmniejsza całkowity rozmiar wejściowych kondensatorów magazynujących bez zmniejszenia sprawności, wzrostu tętnień na wyjściu i bez konieczności przeprojektowywania transformatora mocy.

Zastosowanie układu MinE-CAP zmniejsza rozmiary zasilacza równie skutecznie jak zwiększenie częstotliwości przełączania w celu zmniejszenia rozmiaru transformatora. Rozwiązania z układem MinE-CAP wykorzystują mniej komponentów i eliminują wyzwania projektowe związane z wysokimi częstotliwościami, takie jak zwiększone rozproszenie transformatora/układu obniżającego i wyższe zakłócenia elektromagnetyczne (EMI).

Internetowe narzędzia projektowania

Firma Power Integrations oferuje również narzędzie PI Expert do szybszego projektowania zasilaczy prądu zmiennego-stałego offline typu flyback wykorzystujących serię zintegrowanych przełączających układów scalonych PowiGaN offline typu flyback InnoSwitch3. Narzędzie PI Expert, zbudowane w oparciu o zautomatyzowany graficzny interfejs użytkownika (GUI), wykorzystuje specyfikacje zasilania do automatycznego generowania rozwiązań konwersji energii. Dostarcza ono projektantom wszystkich szczegółów potrzebnych do zbudowania i przetestowania prototypu przetwornicy mocy. Korzystając z narzędzia PI Expert, projektanci mogą stworzyć kompletny projekt w ciągu kilku minut.

Projektowanie z wykorzystaniem układów scalonych InnoSwitch3 na bazie PowiGaN jest takie samo jak z wykorzystaniem urządzeń InnoSwitch3 na bazie krzemu (Si). Narzędzie PI Expert działa tak samo w przypadku urządzeń PowiGaN i Si podczas optymalizacji częstotliwości przełączania, filtrowania zakłóceń elektromagnetycznych (EMI), projektowania transformatorów, korzystania z funkcji polaryzowania i prostowania synchronicznego. Narzędzie automatycznie wdraża wszelkie zmiany potrzebne do dostosowania konstrukcji opartych o PowiGaN do wyższej mocy. Narzędzie tworzy interaktywny schemat obwodu, kompletny wykaz materiałów (BOM), szczegółowe parametry elektryczne oraz zalecenia dotyczące układu płytki drukowanej. Wyniki obejmują również kompletny projekt magnetyczny włącznie z rozmiarem rdzenia, grubością przewodu, liczbą równoległych przewodów, liczbą zwojów w każdym uzwojeniu oraz instrukcjami nawijania do montażu mechanicznego.

Podsumowanie

Projektanci muszą zwiększać gęstość mocy, obniżać koszty i skracać czas opracowywania 100-watowych zasilaczy offline do różnych zastosowań, od ładowarek prądu zmiennego-stałego i zasilaczy po systemy przemysłowe. Zastosowanie technologii azotkowo-galowej z szeroką przerwą energetyczną (GaN WBG) może pomóc, ale projektowanie z wykorzystaniem komponentów opartych na azotku galu (GaN) wymaga zwrócenia szczególnej uwagi na układ płytki i inne kwestie związane z szybkim przełączaniem.

Bardziej zintegrowane podejście oparte na przełączających układach scalonych InnoSwitch3 QR typu flyback pozwala projektantom na opracowanie efektywnych, wysokosprawnych przetwornic mocy, które zapewniają korzystne parametry działania przełączników GaN, przy jednoczesnym zmniejszeniu ryzyka związanego zazwyczaj z wprowadzaniem nowej technologii.

Dzięki zastosowaniu urządzeń InnoSwitch3 w połączeniu z układami scalonymi MinE-CAP firmy Power Integrations do zarządzania prądem udarowym ze zminiaturyzowanymi kondensatorami magazynującymi, a także narzędzia projektowego PI Expert tej samej firmy, projektanci mogą szybciej wdrażać kompaktowe, solidne i ekonomiczne zasilacze o małej liczbie komponentów, spełniające światowe standardy sprawności.