В современном электронном мире необходимы преобразователи мощности для медицинских устройств, зарядных устройств для сотовых телефонов и ноутбуков и для вспомогательных источников питания. Уменьшение размеров корпуса, управление теплом, переменное входное напряжение и интеллектуальные протоколы зарядки — все это усложняет конструкцию источников питания и преобразователей и требует более высокой энергоэффективности.
В последнее десятилетие появились новые технологии переключения с использованием встроенных интегральных схем (ИС) на основе нитрида галлия (GaN). Схемы на основе нитрида галлия различаются по характеристикам на атомном уровне, поэтому разработчики силовых преобразователей сталкиваются как с проблемами, так и с решениями.
Полупроводник GaN имеет очень широкую запрещенную зону; При напряжении 3,4 эВ ширина запрещенной зоны более чем в три раза больше, чем у кремниевого полупроводника. Как и другие материалы с широкой запрещенной зоной, полупроводники GaN могут работать при более высоких напряжениях и температурах до +400 ° C, что делает их пригодными для приложений с более высокой мощностью, на более высоких частотах, а также в радиочастотных (RF) и 5G-приложениях.
В приложениях силовых преобразователей GaN IC оптимизирует потери, связанные с транзисторами, такие как последовательное сопротивление (RDS (ON) и параллельная емкость (COSS), при меньших габаритах, чем кремниевые IC. Занимая ту же площадь, что и кремниевая IC, GaN IC может выдерживать не только более высокие частоты, но и меньше тепла. Эта функция позволяет разработчикам уменьшить или исключить громоздкие радиаторы.
Однако управление GaN-транзисторами может быть затруднительным. Способность транзистора этого типа выдерживать высокие частоты означает, что драйвер управления должен находиться физически близко к этому транзистору, чтобы устранить задержки и эффективно снизить скорость переключения этого транзистора, чтобы избежать ненужных электромагнитных помех (EMI). Разработчики силовых преобразователей, использующие GaN, устраняют эти проблемы, используя одно устройство, которое сочетает в себе высоковольтный силовой переключатель для первичной стороны (вход) с управляющей ИС для вторичной стороны (выход) и цепь обратной связи.
Подробные характеристики работы переключателя
Компания Power Integrations использует свою продукцию PopwiGaN™. Компания InnoSwitch3 разработала несколько серий таких упаковочных устройств. Например, ИС безвозвратного переключателя серии InnoSwitch3-CP (рис. 1) использует квазирезонансный (QR) контроллер антивозбуждения для обеспечения выходного напряжения постоянного напряжения (CV)/постоянного тока (CC) для достижения кривой постоянной мощности (CP).
Первичная и вторичная стороны этой микросхемы электрически изолированы, но информация о выходном напряжении и токе передается от вторичного контроллера к первичному посредством индуктивной связи. Технология связи FluxLink обеспечивает быструю и точную информацию для быстрой реакции на переходные процессы нагрузки и частоты переключения до 70 кГц.
Микросхема переключателя Power Innovations серии InnoSwitch3-CP
Рис. 1. Первичный и вторичный контроллеры микросхемы резервного переключателя серии InnoSwitch3-CP электрически изолированы, но обратная связь может передаваться через линию потока (пунктирная линия). Источник изображения: Power Innovations)
Интегральные схемы серии InnoSwitch3-CP выдерживают мощность от 50 Вт до 100 Вт без необходимости использования радиатора, что снижает общий объем источника питания. Эти компоненты имеют номинальное постоянное рабочее напряжение 650 В, но могут выдерживать скачки напряжения до 750 В.
Для источников питания с использованием микросхем серии InnoSwitch3-CP достигается энергоэффективность 94% в пределах допустимого диапазона нагрузки, тогда как кремниевые переключатели имеют энергоэффективность примерно 90%. Серия InnoSwitch3-CP не только энергоэффективна, но и обладает чрезвычайно низким энергопотреблением (менее 30 мВт), что помогает соответствовать глобальным нормам энергоэффективности.
Для обеспечения безопасности и продления срока службы компонентов микросхема серии InnoSwitch3-CP обеспечивает улучшенную гальваническую развязку 4000 В переменного тока между первичной и вторичной сторонами, соответствует стандарту Underwriters Laboratories (UL) 1577, и каждое устройство проходит тестирование HIPOT. Другие функции безопасности включают обнаружение и реагирование на разрыв цепи затвора полевых транзисторов синхронного выпрямителя (SR FET), пониженное или повышенное напряжение входной линии, а также перенапряжение на выходе. Контроллер IC также ограничивает перегрузку по току и отключается до того, как произойдет перегрев.
ИС серии InnoSwitch3-EP (рис. 2) аналогична ИС серии InnoSwitch3-CP. Эти микросхемы не оптимизированы для обеспечения единой постоянной выходной мощности, а используют технологию взвешенного вторичного регулирования (SSR) для усреднения выходных напряжений нескольких каналов в управляющие сигналы.