Technologie Wide Bandgap pro maximalizaci účinnosti a hustoty výkonu ve vysokonapěťovém LED osvětlení

Vysokonapěťové LED osvětlení se ukázalo jako životaschopná náhrada za předchozí technologie, jakou je osvětlení s vysokou intenzitou výboje (HID). S přijetím vysokonapěťového LED osvětlení se mnoho výrobců vrhlo na výrobu a implementaci v různých aplikacích. I když došlo k výraznému zvýšení kvality světla a výkonové hustoty, účinnost se stala důležitým aspektem, který je třeba řešit. Také u prvních aplikací byla četnost selhání mnohem vyšší, než se očekávalo. Hlavním úkolem vysokonapěťového LED osvětlení je pokračovat ve zvyšování hustoty výkonu a účinnosti, stejně jako jeho zajistit spolehlivost a dostupnost pro budoucí aplikace. V tomto článku se budeme zabývat technologií širokého zakázaného pásu (GaN) a tím, jak může řešit problém účinnosti a hustoty výkonu pro vysokonapěťové LED osvětlení. Tato diskuse ukáže, jak lze technologii širokého zakázaného pásu využít k maximalizaci účinnosti a hustoty výkonu se zaměřením na oblast buck architektury LED ovladače znázorněnou na obrázku 1.

Polovodiče se širokým zakázaným pásem (GaN) mohou pracovat při vyšších spínacích frekvencích ve srovnání s konvenčními polovodiči, jako je křemík. Materiály se širokým zakázaným pásem vyžadují vyšší množství energie k vybuzení elektronu, aby mohl přeskočit z horní části valenčního pásu na spodní část vodivého pásu, kde jej lze použít v elektrickém obvodu. Zvětšení pásu má proto velký dopad na zařízení (a umožňuje menší velikost matrice, aby vykonávala stejnou práci). Materiály jako nitrid galia (GaN), které mají širší zakázaný pás, vydrží silnější elektrická pole. Kritické vlastnosti, které mají materiály se širokým zakázaným pásem, jsou vysoké rychlosti volných elektronů a vyšší hustota elektronového pole. Tyto klíčové atributy činí spínače GaN až 10krát rychlejší a výrazně menší při stejném odporu a průrazném napětí jako podobná křemíková součástka. GaN je ideální pro vysokonapěťové LED aplikace, protože tyto klíčové vlastnosti jej předurčují k implementaci do budoucích aplikací osvětlení.

Obrázek 1: Systémová architektura neizolovaného LED řadiče s vysokým výkonem (Zdroj obrázku: společnost STMicroelectronics)

Obrázek 1 ukazuje architekturu na vysoké úrovni aplikace LED osvětlení, která bude sloužit jako základní příklad pro aplikaci technologie širokého zakázaného pásu GaN. Ačkoli lze v celé aplikaci implementovat materiály se širokého zakázaným pásem, vysokonapěťový proudový buck generátor, zvýrazněný zeleně, bude zaměřen na využití technologie širokého zakázaného pásu pro maximalizaci účinnosti a hustoty výkonu. Většina aplikací osvětlení vyžaduje vysoký účiník a nízké harmonické zkreslení v širokém rozsahu vstupního střídavého napětí. V tomto případě je výhodné implementovat PFC boost převodník pro dosažení čisté hodnoty 400 V_DC na vstupu LED řadiče a splnit tak požadavky na kvalitu napájení. Existuje několik možností pro přeřazený PFC boost převodník; přechodový režim (TM), režim kontinuálního vedení (CCM) a další. Přechodový režim je charakterizován provozem s proměnnou frekvencí a spínáním nulového proudu při zapnutí výkonového tranzistoru MOSFET. Dalšími výhodami jsou jednoduchá konstrukce, malá velikost induktoru a žádná zpětná obnova boost diody. Hlavními problémy jsou vysoký špičkový a efektivní vstupní proud, což také vede k většímu EMI filtru, když se výkon zvyšuje. CCM místo toho poskytuje provoz s pevnou frekvencí. Zesilovací induktorový proud má vždy průměrnou složku, kromě téměř nulových bodů křížení. Induktor je navržen pro 20-30% zvlnění, což má za následek menší EMI filtr ve srovnání s provozem TM. To také znamená větší zesilovací induktor a menší EMI filtr pro stejný výstupní výkon ve srovnání s provozem TM. Hlavními výzvami jsou složitější ovládání a potřeba ultrarychlé diody s měkkou obnovou nebo SiC diody. V důsledku toho je CCM PFC obecně dražší než TM PFC. V ideálním případě lze místo usměrňovací diody v CCM PFC použít nulový reverzní spínač. Díky tomu jsou tranzistory GaN velmi dobrými kandidáty pro tuto aplikaci.

Izolace je volitelná a lze ji zavést mezi vstupní stupeň a druhý stupeň přeměny energie. V tomto příkladu není použita izolace a po vstupním PFC stupni následuje neizolovaný inverzní stupeň s regulací CC/CV. V případech, kdy je potřeba izolace, lze použít rezonanční měnič výkonu (LLC, LCC) nebo zpětný měnič v závislosti na požadavcích na výstupní výkon aplikace.

Zesilovací konvertor PFC generuje na svém výstupu regulované napětí stejnosměrné sběrnice (vyšší než je špička vstupního střídavého napětí) a předává toto vyšší napětí stejnosměrné sběrnice do stupně invertovaného tlumiče. Operace stepdown je poměrně jednoduchá. Když je spínač v bucketu zapnutý, napětí induktoru je rozdíl mezi vstupním a výstupním napětím (V_V – V_VEN ). Když je vypínač vypnutý, záchytná dioda usměrní proud a napětí induktoru je stejné jako výstupní napětí.

Systém MasterGaN v balení (SiP) pro LED ovladače

Spolu s hustotou výkonu a účinností je klíčovou výzvou pro vysokonapěťové osvětlovací aplikace složitost návrhu. S použitím polovodičů se širokým zakázaným pásem, jako je GaN, lze zvýšit hustotu výkonu a účinnost obvodu. STRodina MasterGaN řeší tuto výzvu kombinací vysokonapěťových inteligentních napájecích BCD-procesních hradlových ovladačů s vysokonapěťovými tranzistory GaN v jediném balení. MasterGaN umožňuje snadnou implementaci topologie znázorněné na obrázku 1. Obsahuje dva 650 V GaN HEMT tranzistory v konfiguraci Half-Bridge a také hradlové ovladače. V tomto příkladu je celý výkonový stupeň integrován do jediného pouzdra QFN 9x9 mm, které vyžaduje minimální počet externích součástí. Do SiP je zabudována i zaváděcí dioda, obvykle potřebná k napájení izolované vysokonapěťové sekce duálního, high-side/low-side, Half-Bridge gate driveru. V důsledku toho lze hustotu výkonu aplikace, která používá zařízení MasterGAN, výrazně zvýšit ve srovnání se standardním křemíkovým řešením při současném zvýšení spínací frekvence nebo výstupního výkonu. Přesněji řečeno, v této aplikaci ovladače LED bylo dosaženo 30% snížení plochy PCB a nebyly použity žádné chladiče.

Pro vysoce výkonné LED osvětlení je CCM nejlepším provozním režimem. Při implementaci CCM se zařízeními GaN dojde k výhodám na vysoké úrovni, o kterých jsme již hovořili, a také ke snížení nákladů. Nebylo by potřeba velmi nízké R_DSON pro aplikace s vysokým výkonem díky sníženému příspěvku spínacích ztrát k celkovým ztrátám výkonu. GaN také zmírňuje hlavní nevýhodu používání CCM tím, že eliminuje ztráty při obnově a snižuje EMI, protože GaN nezaznamenává žádnou zpětnou obnovu. Provoz CCM s řízením Fixed Off Time také kompenzuje závislost zvlnění výstupního proudu na V_VEN velmi snadné. Je jasné, že implementace GaN přepínače pomocí CCM je skvělou kombinací pro vysokonapěťové LED osvětlení, stejně jako mnoho dalších.

Základní schéma inverzní buck topologie je znázorněno na obrázku 2 spolu s implementací využívající systém MASTERGAN4 .

Obrázek 2: Inverzní snižovací topologie implementovaná pomocí obvodu MASTERGAN4. (Zdroj obrázku: STMicroelectronics)

MASTERGAN4 obsahuje dva 225 mΩ (typické při 25 °C) 650 V GaN tranzistory v konfiguraci Half-Bridge, vyhrazený ovladač brány Half-Bridge a zaváděcí diodu. Tato vysoká úroveň integrace zjednodušuje návrh a minimalizuje plochu PCB v malém pouzdře QFN 9x9 mm. Vyhodnocovací deska znázorněná na obrázku 3 a navržená s obvodem MASTERGAN4 v inverzní buck topologii má následující specifikace: přijímá vstupní napětí až 450 V, výstupní napětí řetězce LED lze nastavit mezi 100 V a 370 V; pracuje v režimu Fixed Off Time (FOT) CCM se spínací frekvencí 70 kHz; maximální výstupní proud je 1 A.

Obrázek 3: Příklad dema inverzní buck topologie se systémem MASTERGaN4. (Zdroj obrázku: STMicroelectronics)

Řadič v tomto řešení HVLED002 se používá ke generování jediného řídicího signálu PWM. Externí obvod založený na jednoduchých Schmittových spouštěčích je pak použit ke generování dvou komplementárních signálů pro buzení tranzistorů GaN na nízké a vysoké straně s vhodnou mrtvou dobou. Součástí jsou také dva lineární regulátory pro generování napájecího napětí potřebného pro obvod MASTERGAN4. Inverzní buck topologie implementovaná v obvodu MASTERGAN4 vytváří řešení pro zvýšení hustoty výkonu a účinnosti, níže diskutované výsledky však nechte mluvit za sebe.

Experimentální výsledky:

Grafy účinnosti na obrázku 4 ukazují výhody navrhovaného řešení oproti tradičnímu křemíkovému řešení jako funkci napětí LED řetězce pro výstupní proudy 0,5 A a 1 A.

Obrázek 4: Účinnost v závislosti závislosti na napětí LED pro MasterGaN a křemíkový tranzistor MOSFET. (Zdroj obrázku: STMicroelectronics)

Účinnost MASTERGAN4 zůstává na nebo nad 96,8 % v celém rozsahu napětí řetězce LED. Je možné pozorovat, že na všech úrovních výkonu je zisk v účinnosti maximalizován díky nízkým ztrátám ve vedení a také minimálním ztrátám při řízení a spínání řešení GaN.

Tabulka 1: Porovnání velikosti pro křemíkové a GaN tranzistory MOSFET

Tabulka 1 srovnává křemíkovou konstrukci s řešením založeným na obvodu MASTERGAN4. Jak je vidět, více než 30 % celkového snížení plochy desky plošných spojů je dosaženo implementací konstrukce GaN. Výsledky ukazují jednu cestu, jakou se lze vydat s tranzistory GaN v této inverzní buck topologii. Zvýšení spínací frekvence nad 70 kHz může snížit velikost výstupní tlumivky a kondenzátoru na úkor vyšších ztrát při buzení a spínání. Při vyšší frekvenci a zmenšené velikosti filtru lze elektrolytické kondenzátory nahradit spolehlivějšími a většími keramickými kondenzátory. Kompromis mezi filtračním kondenzátorem a velikostí buck induktoru lze optimalizovat na základě spínací frekvence požadované cílovou aplikací.

Závěry

Tento článek pojednával o implementaci inverzní buck topologie pro aplikace LED osvětlení založené na obvodu MASTERGAN4. Systém v konfiguraci pouzdra je osazen GaN tranzistory 650 V, 225 mΩ v polomůstkové konfiguraci a speciálními hradlovými budiči. Řešení GaN vs. křemík vykazuje vyšší účinnost a zmenšenou plochu desky plošných spojů. Tranzistory MasterGaN jsou ideálním řešením pro kompaktní, vysoce účinnou a vysoce výkonnou inverzní buck implementaci v osvětlovacích aplikacích.