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).

Ilustracja 2: przełączające układy scalone offline typu flyback InnoSwitch3 z przełącznikami GaN są dostarczane w zajmującej niewiele miejsca obudowie InSOP-24D. (Źródło ilustracji: Power Integrations)

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.

Sterowane cyfrowo przełączające układy scalone offline typu flyback o stałym napięciu i prądzie (CV/CC) QR

Projektanci ładowarek akumulatorów, regulowanych stateczników LED o stałym napięciu i prądzie (CV/CC), wysokosprawnych programowanych zasilaczy USB PD 3.0+, zasilaczy szybkiego ładowania (QC) i innych podobnych zastosowań opartych na zróżnicowanej chemii i różnorodnych protokołach mogą skorzystać z w pełni programowalnych układów scalonych InnoSwitch3-Pro, w tym INN3378C, INN3379C i INN3370C, które mogą być stosowane w zasilaczach prądu zmiennego-stałego o mocy do 90W oraz zasilaczach prądu zmiennego-stałego typu open frame o mocy do 100W (tabela 1). Urządzenia te są również przydatne, gdy potrzebna jest dokładna kontrola prądu wyjściowego i regulacja napięcia (obsługiwane są kroki co 10mV i 50mA).

Tabela 1: układy scalone InnoSwitch3-Pro są przystosowane do pracy z napięciem 230V~ ±15% i napięciem wejściowym od 85 do 265V~. (Źródło tabeli: Power Integrations)

Interfejs I²C zastosowany w urządzeniach InnoSwitch3-Pro upraszcza projektowanie i produkcję w pełni programowanych zasilaczy (ilustracja 4). Umożliwia dynamiczną regulację prądu i napięcia wyjściowego. Można go używać do konfiguracji zasilania, sterowania nastawami stałego napięcia, prądu i mocy (CV/CC/CP), ustawieniami zabezpieczeń, takimi jak progi nadnapięcia i podnapięcia oraz obsługi raportowania błędów. Zintegrowane zasilanie 3,6V może służyć do zasilania zewnętrznego mikrokontrolera MCU. Ponadto pobór mocy <30mW bez obciążenia (włączając w to linię pomiarową i mikrokontroler MCU) spełnia wszystkie globalne wymagania dotyczące efektywności energetycznej.

Ilustracja 3: układy scalone InnoSwitch3-Pro zawierają interfejs I²C do pełnego cyfrowego sterowania i monitorowania oraz zintegrowany zasilacz 3,6V (uVCC) do zasilania zewnętrznego mikrokontrolera MCU. (Źródło ilustracji: Power Integrations)

Rozwiązania konfigurowane sprzętowo

W przypadku zastosowań, które nie wymagają cyfrowego programowania ani monitorowania, firma Power Integrations oferuje grupy produktów InnoSwitch3-CP (ilustracja 5) oraz -EP, czyli rozwiązania konfigurowane sprzętowo. Podobnie jak InnoSwitch3-Pro, urządzenia InnoSwitch3-CP i InnoSwitch-EP zawierają główny i dodatkowy kontroler oraz wzmocnioną izolację o wytrzymałości >4000V~ w pojedynczym układzie scalonym. Zabezpieczenia obejmują ochronę przeciwprzepięciową i nadprądową na wyjściu, zabezpieczenie przepięciowe i podnapięciowe linii prądu zmiennego oraz wyłączenie w przypadku przegrzania. Omawiane urządzenia charakteryzują się wysoką odpornością na zakłócenia, dzięki czemu mogą być projektowane zgodnie z normą EN61000-4 w klasie „A” parametrów działania.

Ilustracja 4: układ InnoSwitch3-CP w typowym zastosowaniu z indukcyjnym sprzężeniem zwrotnym FluxLink (linia przerywana) pomiędzy kontrolerami po stronie pierwotnej i wtórnej. (Źródło ilustracji: Power Integrations)

Projektanci wysokowydajnych przetwornic typu flyback o mocy do 100W, przeznaczonych do takich zastosowań jak zasilanie USB PD, ładowarki szybkie (QC) i podobne, mogą skorzystać z układów InnoSwitch3-CP, takich jak INN3278C, INN3279C i INN3270C (tabela 2). Wspomniane przełączające układy scalone QR posiadają tryby stałego napięcia i prądu (CV/CC) ze stałymi profilami mocy i obsługują standardowe kombinacje przerzutników i automatycznego ponownego uruchamiania. Kompensacja spadków na kablu jest funkcją opcjonalną.

Tabela 2: moc znamionowa rodziny produktów InnoSwitch3-CP dla zasilaczy i konstrukcji open frame. (Źródło tabeli: Power Integrations)

W zastosowaniach takich jak liczniki zużycia mediów, zasilacze przemysłowe i inteligentne sieci energetyczne, zasilacze trybu pogotowia i spolaryzowane dla sprzętu AGD, produktów konsumenckich oraz komputerów, które nie wymagają ciągłego zasilania, projektanci mogą wybierać spośród urządzeń InnoSwitch3-EP, takich jak INN3678C, INN3679C i INN3670C (tabela 3).

Tabela 3: układy scalone InnoSwitch3-EP są przystosowane do pracy z pełną mocą przy napięciu 230V~ ±15% oraz z obniżoną mocą w szerokim zakresie napięć wejściowych od 85 do 265V~. (Źródło tabeli: Power Integrations)

Urządzenia InnoSwitch3-EP pozwalają na dobrą wielowyjściową regulację krzyżową. Pomiar prądu wyjściowego jest regulowany za pomocą zewnętrznego rezystora, podczas gdy parametry stałego napięcia i prądu (CV/CC) są bardzo dokładne i niezależne od jakichkolwiek komponentów zewnętrznych. Omawiane przełączające układy scalone QR typu flyback są dostępne z opcjonalnym zabezpieczeniem przed zbyt niskim napięciem wyjściowym i można je zamawiać z opcją dostarczania mocy standardowej lub szczytowej.

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 (C_HV na ilustracji 8) do pracy przy wysokim napięciu sieci prądu zmiennego, podczas gdy większość energii jest magazynowana w kondensatorach o niższym napięciu (C_LV) 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.

Rekomendowane artykuły

1. Narzędzie PI Expert ułatwia skonstruowanie przełącznika prądu stałego/zmiennego