Στον σημερινό ηλεκτρονικό κόσμο, χρειάζονται μετατροπείς ισχύος από ιατρικές συσκευές, φορτιστές κινητών τηλεφώνων και φορητών υπολογιστών μέχρι βοηθητικά τροφοδοτικά. Η συρρίκνωση των μεγεθών συσκευασίας, η διαχείριση θερμότητας, οι μεταβλητές τάσεις εισόδου και τα έξυπνα πρωτόκολλα φόρτισης περιπλέκουν τα σχέδια ισχύος και μετατροπέων και απαιτούν υψηλότερη ενεργειακή απόδοση.
Την τελευταία δεκαετία, έχουν εμφανιστεί νέες τεχνολογίες μεταγωγής που χρησιμοποιούν ολοκληρωμένα κυκλώματα (IC) νιτριδίου του γαλλίου (GaN). Τα κυκλώματα νιτριδίου του γαλλίου διαφέρουν ως προς τα χαρακτηριστικά ατομικού επιπέδου, επομένως οι σχεδιαστές μετατροπέων ισχύος αντιμετωπίζουν τόσο προκλήσεις όσο και λύσεις.
Ο ημιαγωγός GaN έχει πολύ μεγάλο διάκενο ζώνης. Στα 3,4 eV, το διάκενο ζώνης είναι περισσότερο από τριπλάσιο από αυτό ενός ημιαγωγού πυριτίου. Όπως και άλλα υλικά ευρείας ζώνης, οι ημιαγωγοί GaN μπορούν να λειτουργήσουν σε υψηλότερες τάσεις και θερμοκρασίες έως +400 ° C, καθιστώντας τους κατάλληλους για εφαρμογές υψηλότερης ισχύος, σε υψηλότερες συχνότητες και σε εφαρμογές ραδιοσυχνοτήτων (RF) και 5G.
Σε εφαρμογές μετατροπέων ισχύος, το GaN IC βελτιστοποιεί τις απώλειες που σχετίζονται με τρανζίστορ, όπως η σύνθετη αντίσταση σειράς (RDS (ON) και η παράλληλη χωρητικότητα (COSS) σε μικρότερη συνολική διάσταση από το IC πυριτίου. Μέσα στο ίδιο αποτύπωμα με το IC πυριτίου, το GaN IC μπορεί να χειριστεί όχι μόνο υψηλότερες συχνότητες αλλά και επιτρέπει στους σχεδιαστές να εκτονώνουν αυτό το χαρακτηριστικό.
Ωστόσο, ο έλεγχος των τρανζίστορ GaN μπορεί να είναι δυσκίνητος. Η ικανότητα αυτού του τύπου τρανζίστορ να αντέχει σε υψηλές συχνότητες σημαίνει ότι ο οδηγός ελέγχου πρέπει να είναι φυσικά κοντά σε αυτό το τρανζίστορ για να εξαλείψει τις καθυστερήσεις και να μειώσει αποτελεσματικά την ταχύτητα μεταγωγής αυτού του τρανζίστορ για την αποφυγή περιττών ηλεκτρομαγνητικών παρεμβολών (EMI). Οι σχεδιαστές μετατροπέων ισχύος που χρησιμοποιούν το GaN εξαλείφουν αυτές τις προκλήσεις χρησιμοποιώντας μια ενιαία συσκευή που συνδυάζει έναν διακόπτη ισχύος υψηλής τάσης για την κύρια πλευρά (είσοδο) με ένα IC ελέγχου για τη δευτερεύουσα πλευρά (έξοδο) και ένα κύκλωμα ανάδρασης.
Αναλυτικά χαρακτηριστικά λειτουργίας διακόπτη
Η Power Integrations χρησιμοποιεί τα προϊόντα PopwiGaN™ Technical InnoSwitch3 που έχουν αναπτύξει πολλές σειρές τέτοιων συσκευών συσκευασίας. Για παράδειγμα, το IC διακόπτη μεταφοράς σειράς InnoSwitch3-CP (Εικόνα 1) χρησιμοποιεί έναν σχεδόν συντονισμένο (QR) ελεγκτή κατά της διέγερσης για να παρέχει μια έξοδο σταθερής τάσης (CV)/σταθερού ρεύματος (CC) για την επίτευξη καμπύλης σταθερής ισχύος (CP).
Η κύρια και η δευτερεύουσα πλευρά αυτού 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 παρέχει γρήγορες, ακριβείς πληροφορίες για γρήγορη μεταβατική απόκριση φορτίου και συχνότητες μεταγωγής έως και 70 kHz.
Power Innovations InnoSwitch3-CP Series Change-over Switch IC
Εικόνα 1: Οι κύριοι και οι δευτερεύοντες ελεγκτές του IC διακόπτη μεταφοράς της σειράς InnoSwitch3-CP είναι ηλεκτρικά απομονωμένοι, αλλά η ανάδραση μπορεί να κοινοποιηθεί μέσω μιας σύνδεσης ροής (διακεκομμένη γραμμή). Πηγή εικόνας: Power Innovations)
Τα ολοκληρωμένα κυκλώματα της σειράς InnoSwitch3-CP διαχειρίζονται ισχύ από 50 W έως 100 W χωρίς την ανάγκη ψύκτρας, μειώνοντας τον συνολικό όγκο του τροφοδοτικού. Αυτά τα εξαρτήματα έχουν ονομαστική τάση συνεχούς λειτουργίας 650 V, αλλά μπορούν να αντέξουν υπερτάσεις έως και 750 V.
Για τροφοδοτικά που χρησιμοποιούν IC σειράς InnoSwitch3-CP, επιτυγχάνεται ενεργειακή απόδοση 94% εντός του επιτρεπόμενου εύρους φορτίου, ενώ οι διακόπτες με βάση το πυρίτιο είναι περίπου 90% ενεργειακά αποδοτικοί. Η σειρά InnoSwitch3-CP δεν είναι μόνο ενεργειακά αποδοτική αλλά και εξαιρετικά χαμηλή σε κατανάλωση ενέργειας (λιγότερο από 30 mW), γεγονός που συμβάλλει στην τήρηση των παγκόσμιων κανονισμών ενεργειακής απόδοσης.
Για να διασφαλιστεί η ασφάλεια και να παραταθεί η διάρκεια ζωής του εξαρτήματος, το IC της σειράς InnoSwitch3-CP παρέχει βελτιωμένη γαλβανική απομόνωση 4000 VAC μεταξύ της κύριας και της δευτερεύουσας πλευράς, συμμορφώνεται με το Underwriters Laboratories (UL) 1577 και κάθε μονάδα περνάει τη δοκιμή HIPOT. Άλλες λειτουργίες ασφαλείας περιλαμβάνουν την ανίχνευση και την απόκριση σε ανοιχτό κύκλωμα πύλης τρανζίστορ φαινομένου πεδίου σύγχρονων ανορθωτών (SR FET), υπόταση ή υπέρταση γραμμής εισόδου και υπέρταση εξόδου. Ο ελεγκτής IC περιορίζει επίσης την υπερένταση και σβήνει πριν συμβεί υπερθέρμανση.
Το IC της σειράς InnoSwitch3-EP (Εικόνα 2) είναι παρόμοιο με το IC της σειράς InnoSwitch3-CP. Αυτά τα IC δεν είναι βελτιστοποιημένα για μία μόνο σταθερή ισχύ εξόδου, αλλά χρησιμοποιούν τεχνολογία σταθμισμένης δευτερεύουσας ρύθμισης (SSR) για τον μέσο όρο των τάσεων εξόδου πολλαπλών καναλιών σε σήματα ελέγχου.