Wykorzystanie technologii szerokiej przerwy energetycznej do maksymalizacji sprawności i gęstości mocy w wysokonapięciowym oświetleniu LED

Wysokonapięciowe oświetlenie LED okazało się opłacalnym zamiennikiem poprzednich technologii, takich jak wysokoprężne oświetlenie wyładowcze (HID). W obliczu powszechnego stosowania technologii wysokonapięciowego oświetlenia LED, wielu producentów przystąpiło do jego produkcji i wdrażania w różnych zastosowaniach. Chociaż nastąpił znaczny wzrost jakości światła i gęstości mocy, ważnym aspektem, którym należy się zająć, stała się sprawność. Ponadto we wczesnych zastosowaniach współczynnik awaryjności był znacznie wyższy niż oczekiwano. Głównym wyzwaniem związanym z wysokonapięciowym oświetleniem LED jest dalsze zwiększanie gęstości mocy i sprawności, a także zapewnienie niezawodności i zwiększenie przystępności cenowej w przyszłych zastosowaniach. W niniejszym artykule omówiona została technologia szerokiej przerwy energetycznej (GaN) oraz sposób, w jaki może ona przyczynić się do poprawy sprawności i zwiększenia gęstości mocy w wysokonapięciowym oświetleniu LED. Przedyskutowano sposoby wykorzystania technologii szerokiej przerwy energetycznej do maksymalizacji sprawności i gęstości mocy, ze szczególnym uwzględnieniem części obniżającej napięcie w architekturze sterownika LED przedstawionej na ilustracji 1.

Półprzewodniki o szerokiej przerwie energetycznej (GaN) mogą działać przy wyższych częstotliwościach przełączania w porównaniu z konwencjonalnymi półprzewodnikami, takimi jak krzem. Materiały o szerokiej przerwie energetycznej wymagają większej ilości energii do wzbudzenia elektronu, aby przeskoczył z góry pasma walencyjnego do dołu pasma przewodnictwa, gdzie może być użyty w obwodzie. Zwiększenie przerwy energetycznej ma zatem duży wpływ na urządzenie (i pozwala na wykonanie tego samego zadania strukturom o mniejszych rozmiarach). Materiały takie jak azotek galu (GaN), które mają większą przerwę energetyczną, mogą wytrzymywać silniejsze pola elektryczne. Krytyczne atrybuty materiałów o szerokiej przerwie energetycznej to: wysokie prędkości elektronów swobodnych i wyższa gęstość pola elektronowego. Te kluczowe atrybuty sprawiają, że przełączniki GaN są nawet 10 razy szybsze i znacznie mniejsze przy tej samej rezystancji i napięciu przebicia, od podobnych komponentów krzemowych. Wspomniane kluczowe atrybuty azotku galu (GaN) sprawiają, że jest to materiał idealny dla przyszłościowych wysokonapięciowych zastosowań LED.

Ilustracja 1: architektura układu nieizolowanego sterownika LED dużej mocy. (Źródło ilustracji: STMicroelectronics)

Ilustracja 1 przedstawia architekturę wysokiego poziomu w zastosowaniu oświetlenia LED, która posłuży jako przykład referencyjny dla zastosowania technologii o szerokiej przerwie energetycznej wykorzystującej azotek galu (GaN). Materiały o szerokiej przerwie energetycznej można zastosować w całym rozwiązaniu, jednak aby wykorzystać technologię szerokiej przerwy energetycznej w celu maksymalizacji sprawności i gęstości mocy, skupimy się na obniżającym generatorze prądu o wysokim napięciu, zaznaczonym na ilustracji kolorem zielonym. Większość zastosowań oświetleniowych wymaga wysokiego współczynnika mocy i niskich zniekształceń harmonicznych w szerokim zakresie napięcia wejściowego prądu zmiennego. W takim przypadku preferowane jest zastosowanie przetwornicy podwyższającej napięcie z korekcją współczynnika mocy (PFC) w celu zapewnienia wolnego od zakłóceń napięcia 400V₌ na wejściu sterownika LED i spełnienia wymogów w zakresie jakości zasilania. Istnieje wiele wariantów przetwornic podwyższających z korekcją współczynnika mocy (PFC) w układzie front-end, pracujących w trybie przejściowym (TM), trybie ciągłego przewodzenia (CCM) i innych. Tryb przejściowy charakteryzuje się pracą ze zmienną częstotliwością i przełączaniem przy zerowym prądzie w momencie włączenia tranzystora mocy MOSFET. Inne jego zalety to prosta konstrukcja, małe rozmiary cewki indukcyjnej i brak regeneracji wstecznej diody podwyższającej. Głównymi wyzwaniami są wysokie wartości szczytowe i skuteczne RMS prądu wejściowego, skutkujące również większym filtrem zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) wraz ze wzrostem mocy. Natomiast tryb ciągłego przewodzenia (CCM) zapewnia pracę przy stałej częstotliwości. Oprócz punktów przecięcia w pobliżu zera, prąd podwyższającej cewki indukcyjnej ma zawsze składową średnią. Cewka indukcyjna jest zaprojektowana dla tętnień 20-30%, co skutkuje mniejszym filtrem zakłóceń elektromagnetycznych w porównaniu do pracy w trybie przejściowym (TM). Oznacza to również większą cewkę indukcyjną i mniejszy filtr zakłóceń elektromagnetycznych dla tej samej mocy wyjściowej w porównaniu do pracy w trybie przejściowym (TM). Głównymi wyzwaniami są bardziej złożone sterowanie i potrzeba użycia ultraszybkiej diody miękkiej regeneracji lub diody z węglika krzemu (SiC). W konsekwencji przetwornica z korekcją współczynnika mocy (PFC) pracująca w trybie ciągłego przewodzenia (CCM) jest ogólnie droższa niż jej odpowiednik pracujący w trybie przejściowym (TM). W idealnym przypadku, w przetwornicach z korekcją współczynnika mocy pracujących w trybie ciągłego przewodzenia (CCM) zamiast diody prostowniczej można zastosować przełącznik zerowej regeneracji wstecznej. W związku z tym bardzo dobrymi kandydatami do tego zastosowania są tranzystory GaN.

Izolacja jest opcjonalna i może być wprowadzona między stopniem wejściowym a drugim stopniem konwersji mocy. W tym przykładzie izolacja nie jest używana, a po wejściowym stopniu korekcji współczynnika mocy (PFC) występuje nieizolowany odwrotny stopień obniżania napięcia ze sterowaniem o stałym napięciu i prądzie (CC/CV). W przypadkach, w których potrzebna jest izolacja, można zastosować rezonansową przetwornicę mocy (LLC, LCC) lub przetwornicę typu flyback, w zależności od wymagań dotyczących mocy wyjściowej zastosowania.

Przetwornica podwyższająca z korekcją współczynnika mocy generuje na swoim wyjściu regulowane napięcie szyny prądu stałego (wyższe niż szczytowe napięcie wejściowe prądu zmiennego) i przekazuje to wyższe napięcie szyny prądu stałego do stopnia odwróconej przetwornicy obniżającej. Operacja obniżania napięcia jest dość prosta. Gdy przełącznik w przetwornicy obniżającej jest włączony, napięcie cewki indukcyjnej jest równe różnicy między napięciem wejściowym i wyjściowym (V_IN - V_OUT). Gdy przełącznik jest wyłączony, dioda przechwytująca prostuje prąd, a napięcie cewki indukcyjnej jest takie samo jak napięcie wyjściowe.

Układ MasterGaN w obudowie (SiP) do sterowników LED

Obok gęstości mocy i sprawności, kluczowym wyzwaniem w wysokonapięciowych zastosowaniach oświetleniowych jest złożoność projektu. Dzięki zastosowaniu półprzewodników o szerokiej przerwie energetycznej, takich jak azotek galu (GaN), gęstość mocy i sprawność obwodu można zwiększyć. Właśnie to robią produkty z grupy MasterGaN firmy ST, łącząc w pojedynczej obudowie wysokonapięciowe sterowniki bramek o inteligentnej mocy wykonane w technologii BCD (Bipolar-CMOS-DMOS) oraz wysokonapięciowe tranzystory GaN. Technologia MasterGaN pozwala na łatwą implementację topologii ukazanej na ilustracji 1. Zawiera ona dwa tranzystory GaN HEMT 650V w konfiguracji półmostkowej oraz sterowniki bramek. W tym przykładzie cały obniżający stopień mocy jest zintegrowany w pojedynczej obudowie QFN 9x9 mm, co wymaga minimalnej liczby komponentów zewnętrznych. Nawet dioda typu bootstrap, zwykle potrzebna do zasilania izolowanej sekcji wysokiego napięcia podwójnego (strona wysoka/niska) półmostkowego sterownika bramki, jest wbudowana w układ SiP. W konsekwencji gęstość mocy w rozwiązaniu wykorzystującym układ MasterGAN jest znacznie zwiększona w porównaniu ze standardowym rozwiązaniem krzemowym, przy jednoczesnym zwiększeniu częstotliwości przełączania lub mocy wyjściowej. Mówiąc dokładniej, w tym zastosowaniu sterownika LED osiągnięto 30% zmniejszenie powierzchni płytki drukowanej i nie zastosowano radiatorów.

W przypadku zastosowań oświetleniowych LED dużej mocy, tryb ciągłego przewodzenia (CCM) jest najlepszym możliwym wyborem. Przy wykorzystaniu trybu CCM z urządzeniami GaN, pojawią się omówione wcześniej korzyści wysokiego poziomu, a także obniżony koszt. Nie byłoby potrzeby bardzo niskiego parametru R_DSON do obsługi rozwiązań dużej mocy ze względu na zmniejszony udział strat przełączania w całkowitych stratach mocy. Azotek galu (GaN) łagodzi również poważną wadę stosowania trybu ciągłego przewodzenia (CCM) poprzez eliminację strat regeneracyjnych i zmniejszenie zakłóceń elektromagnetycznych - w azotku galu nie występuje regeneracja wsteczna. Praca w trybie CCM ze sterowaniem o stałym czasie wyłączenia również ułatwia kompensację zależności tętnień prądu wyjściowego od V_OUT. Oczywiste jest, że implementacja przełącznika z azotku galu (GaN) pracującego w trybie CCM jest doskonałym połączeniem, m.in. w zastosowaniach wysokonapięciowego oświetlenia LED.

Podstawowy schemat odwróconej topologii obniżającej ukazano na ilustracji 2 wraz z wdrożeniem z wykorzystaniem układu MASTERGAN4.

Ilustracja 2: odwrócona topologia obniżająca wdrożona z wykorzystaniem układu MASTERGAN4. (Źródło ilustracji: STMicroelectronics)

Układ MASTERGAN4 zawiera dwa tranzystory 650V GaN 225mΩ (wartość typowa dla temperatury 25°C) w konfiguracji półmostkowej, dedykowany półmostkowy sterownik bramek i diodę typu bootstrap. Tak wysoki poziom integracji upraszcza projekt i minimalizuje powierzchnię płytki drukowanej dzięki małej obudowie QFN 9x9mm. Płytka ewaluacyjna przedstawiona na ilustracji 3, zaprojektowana z układem MASTERGAN4 w odwróconej topologii obniżającej posiada następującą charakterystykę: napięcie wejściowe do 450V, napięcie wyjściowe łańcucha LED można ustawić w zakresie od 100V do 370V; praca w trybie CCM z ustalonym czasem wyłączenia (FOT) przy częstotliwości przełączania 70kHz; maksymalny prąd wyjściowy wynosi 1A.

Ilustracja 3: przykładowa płytka ewaluacyjna z układem MASTERGaN4 w odwróconej topologii obniżającej. (Źródło ilustracji: STMicroelectronics)

Kontroler HVLED002 w tym rozwiązaniu służy do generowania pojedynczego sygnału sterującego modulacji szerokości impulsu (PWM). W dalszej kolejności do generowania dwóch komplementarnych sygnałów do sterowania tranzystorami GaN strony niskiej i strony wysokiej z odpowiednim czasem martwym jest stosowany zewnętrzny obwód oparty na prostych przerzutnikach Schmitta. W zestawie znajdują się również dwa regulatory liniowe do generowania napięć zasilających wymaganych przez układ MASTERGAN4. Odwrócona topologia obniżająca wykorzystana w układzie MASTERGAN4 zapewnia zwiększenie gęstości mocy i sprawności, ale potwierdźmy to na podstawie poniższych wyników.

Wyniki eksperymentalne:

Wykresy sprawności na ilustracji 4 pokazują zalety proponowanego rozwiązania w porównaniu z tradycyjnym rozwiązaniem krzemowym w funkcji napięcia łańcucha LED dla wyjściowych natężeń prądu 0,5A i 1A.

Ilustracja 4: sprawność w funkcji napięcia LED dla układu MasterGaN i krzemowego tranzystora MOSFET. (Źródło ilustracji: STMicroelectronics)

Sprawność układu MASTERGAN4 utrzymuje się na poziomie co najmniej 96,8% w całym zakresie napięć łańcucha LED. Można zaobserwować, że na wszystkich poziomach mocy przyrost sprawności jest maksymalizowany dzięki niskim stratom przewodzenia, a także minimalnym stratom sterowania i przełączania w rozwiązaniu wykorzystującym azotek galu (GaN).

Tabela 1: porównanie wielkości tranzystora GAN i krzemowego MOSFET

W tabeli 1 porównano rozwiązanie krzemowe z rozwiązaniem opartym na układzie MASTERGAN4. Jak widać, dzięki wdrożeniu projektu GaN uzyskano ponad 30% ogólną redukcję powierzchni płytki drukowanej. Wyniki pokazują jedną z dróg, jakie można obrać stosując azotek galu (GaN) w tej odwróconej topologii obniżającej. Zwiększenie częstotliwości przełączania powyżej 70kHz może zmniejszyć rozmiar wyjściowej cewki indukcyjnej i kondensatora kosztem wyższych strat związanych ze sterowaniem i przełączaniem. Przy wyższej częstotliwości i mniejszym rozmiarze filtra kondensatory elektrolityczne można zastąpić bardziej niezawodnymi i większymi kondensatorami ceramicznymi. Kompromis pomiędzy rozmiarami kondensatora filtra i obniżającej cewki indukcyjnej można zoptymalizować w zależności od częstotliwości przełączania wymaganej dla zastosowania docelowego.

Podsumowanie

W niniejszym artykule omówiono wdrożenie odwróconej topologii obniżającej do zastosowań oświetleniowych LED wykorzystujących układ MASTERGAN4. Układ w obudowie zawiera tranzystory 650V 225mΩ GaN w konfiguracji półmostkowej oraz dedykowane sterowniki bramek. W porównaniu z krzemem, rozwiązanie GaN zapewnia wyższą sprawność i mniejszą powierzchnię płytki drukowanej. Układ MasterGaN to idealne rozwiązanie pozwalające uzyskać odwróconą przetwornicę obniżającą o kompaktowych rozmiarach, wysokiej sprawności oraz dużej mocy do zastosowań oświetleniowych.