Στον σημερινό ηλεκτρονικό κόσμο, χρειάζονται μετατροπείς ισχύος για τα πάντα, από ιατρικές συσκευές, φορτιστές τηλεφώνων και φορητών υπολογιστών μέχρι βοηθητικά τροφοδοτικά. Το διαρκώς συρρικνούμενο μέγεθος συσκευασίας, η θερμική διαχείριση, η μεταβλητή τάση εισόδου και τα έξυπνα πρωτόκολλα φόρτισης έχουν κάνει το σχεδιασμό των τροφοδοτικών και των μετατροπέων όλο και πιο περίπλοκο, ενώ παράλληλα θέτουν υψηλότερες απαιτήσεις για ενεργειακή απόδοση.
Την τελευταία δεκαετία, έχουν εμφανιστεί νέες τεχνολογίες μεταγωγής που χρησιμοποιούν ολοκληρωμένα κυκλώματα (ICs) νιτριδίου του γαλλίου (GaN). Τα χαρακτηριστικά των κυκλωμάτων νιτριδίου του γαλλίου ποικίλλουν σε ατομικό επίπεδο, επομένως οι σχεδιαστές μετατροπέων ισχύος αντιμετωπίζουν τόσο προκλήσεις όσο και λύσεις.
Οι ημιαγωγοί GaN έχουν μεγάλο διάκενο ζώνης. Στα 3,4 eV, το διάκενο ζώνης του είναι τριπλάσιο από αυτό των ημιαγωγών πυριτίου. Όπως και άλλα υλικά ευρείας ζώνης, οι ημιαγωγοί GaN είναι ικανοί να λειτουργούν σε υψηλότερες τάσεις και θερμοκρασίες έως +400 ° C, καθιστώντας τους κατάλληλους για εφαρμογές υψηλότερης ισχύος, καθώς και σε υψηλότερες συχνότητες, καθιστώντας τους κατάλληλους για εφαρμογές ραδιοσυχνοτήτων (RF) και 5G.
Σε σύγκριση με τα IC πυριτίου, τα ολοκληρωμένα κυκλώματα GaN βελτιστοποιούν τις απώλειες που σχετίζονται με τρανζίστορ, όπως η σύνθετη αντίσταση σειράς (RDS (ON)) και η παράλληλη χωρητικότητα (COSS) με μικρότερες εξωτερικές διαστάσεις σε εφαρμογές μετατροπέων ισχύος. Με το ίδιο αποτύπωμα με τα IC πυριτίου, τα IC GaN όχι μόνο μπορούν να χειριστούν υψηλότερες συχνότητες αλλά και να παράγουν λιγότερη θερμότητα. Αυτό το χαρακτηριστικό επιτρέπει στους σχεδιαστές να συρρικνώνουν ή να εξαλείφουν τις ογκώδεις ψύκτρες.
Ωστόσο, ο έλεγχος των τρανζίστορ GaN μπορεί να είναι δύσκολος. Αυτός ο τύπος τρανζίστορ μπορεί να αντέξει υψηλές συχνότητες, πράγμα που σημαίνει ότι ο οδηγός ελέγχου πρέπει να βρίσκεται φυσικά κοντά στο τρανζίστορ για να εξαλείψει την καθυστέρηση και να μειώσει αποτελεσματικά την ταχύτητα μεταγωγής του τρανζίστορ, αποφεύγοντας τις περιττές ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές (EMI). Οι σχεδιαστές μετατροπέων ισχύος που χρησιμοποιούν GaN εξαλείφουν αυτές τις προκλήσεις χρησιμοποιώντας μια ενιαία συσκευή που συνδυάζει έναν διακόπτη ισχύος υψηλής τάσης για την κύρια πλευρά (είσοδος) και ένα IC ελέγχου και ένα κύκλωμα ανάδρασης για τη δευτερεύουσα πλευρά (έξοδο).
Αναλυτικά χαρακτηριστικά λειτουργίας διακόπτη
Το Power Integrations χρησιμοποιεί PowiGaN™ Η τεχνολογία InnoSwitch 3 έχει αναπτύξει πολλές σειρές τέτοιων συσκευασμένων συσκευών. Για παράδειγμα, το IC διακόπτη μετατροπής σειράς InnoSwitch 3-CP (Εικόνα 1) χρησιμοποιεί έναν ελεγκτή σχεδόν συντονισμού (QR) flyback για να παρέχει εξόδους σταθερής τάσης (CV)/σταθερού ρεύματος (CC) για την επίτευξη καμπύλης σταθερής ισχύος (CP).
Η κύρια και η δευτερεύουσα πλευρά του IC είναι ηλεκτρικά απομονωμένες, αλλά οι πληροφορίες για την τάση εξόδου και το ρεύμα μεταδίδονται από τον δευτερεύοντα ελεγκτή στον κύριο ελεγκτή μέσω επαγωγικής σύζευξης. Η τεχνολογία επικοινωνίας FluxLink μπορεί να παρέχει γρήγορα ακριβείς πληροφορίες για την επίτευξη γρήγορης μεταβατικής απόκρισης φορτίου και εναλλαγή συχνοτήτων έως και 70 kHz.