В современном электронном мире преобразователи мощности необходимы для всего: от медицинских приборов, зарядных устройств для телефонов и ноутбуков до вспомогательных источников питания. Постоянно уменьшающийся размер упаковки, управление температурным режимом, переменное входное напряжение и интеллектуальные протоколы зарядки сделали конструкцию источников питания и преобразователей все более сложной, а также предъявляют более высокие требования к энергоэффективности.
В последнее десятилетие появились новые технологии переключателей, использующие встроенные интегральные схемы (ИС) на основе нитрида галлия (GaN). Характеристики схем из нитрида галлия различаются на атомном уровне, поэтому разработчики силовых преобразователей сталкиваются как с проблемами, так и с решениями.
Полупроводники GaN имеют широкую запрещенную зону; При напряжении 3,4 эВ его запрещенная зона более чем в три раза больше, чем у кремниевых полупроводников. Как и другие материалы с широкой запрещенной зоной, полупроводники GaN способны работать при более высоких напряжениях и температурах до +400 ° C, что делает их пригодными для приложений с более высокой мощностью, а также работать на более высоких частотах, что делает их пригодными для радиочастотных (RF) и 5G-приложений.
По сравнению с кремниевыми ИС, интегральные схемы на основе GaN оптимизируют потери, связанные с транзисторами, такие как последовательный импеданс (RDS (ON)) и параллельная емкость (COSS), при меньших внешних размерах в преобразователях мощности. Занимая ту же площадь, что и кремниевые ИС, ИС GaN могут не только работать с более высокими частотами, но и выделять меньше тепла. Эта функция позволяет разработчикам уменьшить или исключить громоздкие радиаторы.
Однако управление GaN-транзисторами может оказаться сложной задачей. Этот тип транзистора может выдерживать высокие частоты, а это означает, что драйвер управления должен быть физически расположен близко к транзистору, чтобы устранить задержку и эффективно снизить скорость переключения транзистора, избегая ненужных электромагнитных помех (EMI). Разработчики силовых преобразователей, использующих GaN, устраняют эти проблемы, используя одно устройство, которое сочетает в себе высоковольтный силовой ключ на первичной стороне (вход) и управляющую ИС и схему обратной связи на вторичной стороне (выход).
Подробные характеристики работы переключателя
Компания Power Integrations использует технологию PowiGaN™. Компания InnoSwitch 3 разработала несколько серий таких устройств. Например, ИС преобразовательного переключателя серии InnoSwitch 3-CP (рис. 1) использует квазирезонансный (QR) обратноходовой контроллер для обеспечения выходных сигналов постоянного напряжения (CV)/постоянного тока (CC) для достижения кривой постоянной мощности (CP).
Первичная и вторичная стороны ИС электрически изолированы, но информация о выходном напряжении и токе передается от вторичного контроллера к первичному посредством индуктивной связи. Технология связи FluxLink может быстро предоставлять точную информацию для достижения быстрой реакции на переходные процессы нагрузки и переключения частот до 70 кГц.