Miten käyttää integroituja GaN-kytkimiä kustannustehokkaissa, verkkovirralle tarkoitetuissa korkean hyötysuhteen virtalähteissä

Kompaktien 100 watin virtalähteiden sovellusalue jatkaa kasvuaan AC-DC-latureista ja -adaptereista, USB Power Delivery (PD) -latureista ja Quick Charge (QC) -adaptereista LED-valaistukseen, kodinkoneisiin, moottorikäyttöihin, älymittareihin ja teollisuusjärjestelmiin. Näiden verkkovirralle tarkoitettujen flyback-virtalähteiden suunnittelijoiden haasteena on varmistaa kestävyys ja luotettavuus ja samalla laskea kustannuksia, parantaa hyötysuhdetta ja pienentää kokoa suuremman tehotiheyden saavuttamiseksi.

Suunnittelijat voivat ratkaista monet näistä ongelmista korvaamalla piitehokytkimet (Si) piireillä, jotka perustuvat laajan kaistaeron (WBG) teknologioihin, kuten galliumnitridi (GaN). Näin voidaan parantaa suoraan virtalähteen tehokkuutta ja vähentää jäähdytyslevyjen tarvetta sekä mahdollistaa suurempi tehotiheys. Piihin verrattuna GaN-kytkimiä on kuitenkin vaikeampi ohjata.

Suunnittelijat voivat ratkaista nopeisiin kytkentänopeuksiin liittyvät ongelmat, kuten hajainduktanssin ja -kapasitanssin sekä korkeataajuiset oskillaatiot, mutta tämä vaatii lisää kehitysaikaa ja kustannuksia. Tämän sijaan suunnittelijat voivat käyttää erittäin integroituja ja sisäiset GaN-tehokomponentit sisältäviä verkkovirralle tarkoitettuja flyback-kytkin-mikropiirejä.

Tässä artikkelissa käsitellään lyhyesti galliumnitridin etuja ja suunnitteluhaasteita. Sen jälkeen artikkelissa esitellään kolme integroitua verkkovirralle tarkoitettua flyback-kytkin-mikropiirialustaa, joissa on sisäiset GaN-virtakytkimet (valmistaja Power Integration) ja näytetään, miten niitä voidaan käyttää suunniteltaessa korkean hyötysuhteen tehomuunninratkaisuita. Lisäksi artikkelissa käsitellään täydentäviä tasauskondensaattorin miniatyrisointi- ja kytkentävirran rajoitusmikropiirejä (MinE-CAP), kuten myös käytännöllistä verkkosuunnitteluympäristöä.

Mikä GaN on ja mikä siinä on niin hyvää?

GaN on WBG-puolijohdemateriaali, jolla on piihin verrattuna alhainen kytkentävastus, korkea läpilyöntilujuus, nopea kytkentänopeus ja korkea lämmönjohtavuus. Käyttämällä galliumnitridiä piin sijasta voidaan valmistaa kytkimiä, joiden kytkentähäviöt ovat paljon alhaisemmat sekä johtavuus- että estotilassa. Lisäksi GaN-komponentit ovat paljon pienempiä kuin kytkentävastukseltaan samanarvoiset Si-komponentit. Tämän johdosta saman kokoluokan GaN-virtakytkimellä on pienemmät yhdistetyt johtavuus- ja kytkentähäviöt (kuva 1).

Kuva 1: Saman kokoluokan GaN-komponenteilla on pienempi vastus, mikä johtaa pienempiin kokonaishäviöihin pii-MOSFET-transistoreihin verrattuna. (Kuvan lähde: Power Integrations)

Vaikka GaN tarjoaa selkeitä etuja, sen käyttö suunnittelussa voi olla haastavaa. GaN-komponenttien erittäin nopean kytkentänopeuden vuoksi esimerkiksi ohjauspiirin layout voi olla hyvin herkkä piirilevyn ja erillisten GaN-koteloiden hajainduktansseille ja -kapasitansseille. GaN-komponentteja ohjattaessa syntyvät nopeat jännitevaihtelut (dv/dt) ja korkeataajuiset oskillaatiot aiheuttavat enemmän sähkömagneettisia häiriöitä (EMI). Ne on suodatettava pois, jotta muuntimen hyötysuhde ei heikkenisi. GaN-komponenttien nopea kytkentä vaikeuttaa myös niiden suojaamista vikatiloilta, koska ne voivat vahingoittaa laitteita nopeammin kuin suojapiirit ehtivät reagoida.

Yksinkertaisuutta suorituskyvystä tinkimättä

Power Integrations on ratkaissut nämä ongelmat kvasiresonanttisilla PowiGaN-kytkin-mikropiireillä InnoSwitch3-CP, InnoSwitch3-EP ja InnoSwitch3-Pro (kuva 2) PowiGaN on Power Integrationsin sisäisesti kehittämä GaN-virtakytkintekniikka, joka korvaa perinteiset piitransistorit verkkovirralle tarkoitettujen InnoSwitch3-flyback-kytkin-mikropiirien ensiöpuolella. Sen sijaan ensiö-, toisio- ja takaisinkytkentäpiirit integroidaan yksittäiseen SMD-komponenttiin InSOP-24D-kotelossa. Tällä tavoin laitteet vähentävät ohjaimen layoutin kompleksisuutta ja sähkömagneettisten häiriöiden syntymistä samoin kuin johtavuus- ja kytkentähäviöitä. Tämä mahdollistaa tehokkaammat, kevyemmät ja pienemmät adapterit ja laturit sekä avorunkoiset virtalähteet.

Tämän lähestymistavan ansiosta virtalähteiden suunnittelijat voivat keskittyä virransyöttöön, termiseen suorituskykyyn, sovelluksen kokoon ja muihin sovelluskysymyksiin ilman, että haastava GaN-teknologia veisi kaiken huomion.

Kuva 2: Verkkovirralle tarkoitetut InnoSwitch3-flyback-kytkin-mikropiirit GaN-kytkimillä toimitetaan tilaa säästävässä InSOP-24D-kotelossa. (Kuvan lähde: Power Integrations)

Kolme PowiGaN-tekniikkaa käyttävää InnoSwitch3-tuoteperhettä on optimoitu tiettyihin sovellusluokkiin:

• InnoSwitch3-CP on tarkoitettu sellaisiin sovelluksiin, joissa voidaan hyödyntää vakiovirtaprofiilia, esimerkkinä akkujen lataus.
• InnoSwitch3-EP on tarkoitettu avorunkoisiin AC-DC-virtalähteisiin erilaisissa kuluttaja- ja teollisuussovelluksissa.
• InnoSwitch3-Pro-laitteet sisältävät I²C-digitaaliliitännän vakiojännitteen (CV) ja vakiovirran (CC) asetusarvojen ohjaamiseksi ohjelmistolla sekä turvatilavaihtoehtojen ja poikkeusten käsittelyä varten.

InnoSwitch3-mikropiirit käyttävät kvasiresonanssiohjausta ja tarjoavat jopa 95 prosentin hyötysuhteen koko kuormitusalueella. Laite tukee tarkkoja CV-, CC- ja vakioteholähtöjä (CP) monenlaisten sovellusvaatimusten täyttämiseksi samoin kuin häviötöntä virranmittaustekniikkaa. Jälkimmäinen eliminoi ulkoisten virranmittausvastusten tarpeen. Nämä heikentävät hyötysuhdetta ja voivat jopa ylittää monien GaN-kytkimien vastuksen erillislaitteissa.

Kytkimien muihin keskeisiin ominaisuuksiin kuuluvat toisiopuolen mittaus, dedikoitu ohjain synkroniselle MOSFET-tasasuuntaukselle, integroitu induktiivinen takaisinkytkentäliitäntä FluxLink ensiö- ja toisiopuolen ohjainten välillä >4 000 voltin (VAC) erotuksella, maailmanlaajuisten energiatehokkuusvaatimusten noudattaminen, alhainen EMI-häiriötaso, turvallisuus- ja lakisääteisten vaatimusten mukaisuus (UL1577- ja TUV- (EN60950 ja EN62368) -turvallisuushyväksyntä) sekä välitön transienttivaste 100 %:n kuormitusportailla.

Digitaalisesti ohjattavat, verkkovirralle tarkoitetut CV/CC-QR-flyback-kytkin-mikropiirit

Useita kemiallisia periaatteita ja protokollia käyttävien akkulatureiden, säädettävien CV- ja CC-ledivirranrajoittimien, huipputehokkaiden ohjelmoitavien USB PD 3.0+ -virtalähteiden (PPS), QC-adaptereiden ja vastaavien sovellusten suunnittelijat voivat hyödyntää täysin ohjelmoitavia InnoSwitch3-Pro-mikropiirejä, mukaan lukien mallit INN3378C, INN3379C ja INN3370C. Näitä voidaan käyttää AC-DC-adaptereissa enintään 90 W:n teholla ja avorunkoisissa AC-DC-virtalähteissä enintään 100 W:n teholla (taulukko 1). Nämä laitteet ovat hyödyllisiä myös silloin, kun tarvitaan lähtövirran ja -jännitteen hienosäätöä (tuetut portaat 10 millivolttia (mV) ja 50 milliampeeria (mA)).

Taulukko 1: InnoSwitch3-Pro-mikropiirit on luokiteltu käyttöön tulojännitteillä 230 VAC ± 15 % ja 85–265 VAC. (Taulukon lähde: Power Integrations)

InnoSwitch3-Pro-laitteiden I²C-liitäntä yksinkertaistaa täysin ohjelmoitavien virtalähteiden kehittämistä ja tuotantoa (kuva 4). Se mahdollistaa lähtövirran ja -jännitteen dynaamisen säädön. Sitä voidaan käyttää virtalähteen konfigurointiin, CV-, CC- ja CP-asetusarvojen säätöön, suojausasetuksiin kuten yli- ja alijänniteraja-arvot, sekä vikailmoitusten käsittelyyn. Integroitua 3,6 V:n virtalähdettä voidaan käyttää ulkoisen mikrokontrollerin (MCU) virransyöttöön. Lisäksi <30 milliwatin (mW) tehonkulutus ilman kuormitusta (mukaan lukien mittausjohto ja mikrokontrolleri) täyttää kaikki maailmanlaajuiset energiatehokkuusvaatimukset.

Kuva 3: InnoSwitch3-Pro-mikropiirit sisältävät I²C-liitännän täyttä digitaalista säätöä ja monitorointia varten sekä integroidun 3,6 V:n virtalähteen (uVCC) ulkoisen mikrokontrollerin virransyöttöön. (Kuvan lähde: Power Integrations)

Laitteistokonfiguroitavat ratkaisut

Sovelluksiin, jotka eivät vaadi digitaalista ohjelmoitavuutta tai monitorointia, Power Integrations tarjoaa InnoSwitch3-CP- (kuva 5) ja -EP-perheiden laitteistokonfiguroitavat ratkaisut. InnoSwitch3-CP- ja InnoSwitch-EP-laitteet sisältävät samassa mikropiirissä InnoSwitch3-Pro:n tavoin primääri- ja sekundäärikontrollerit sekä vahvistetun erotuksen, joka on luokiteltu jännitteelle >4000 VAC. Suojausominaisuuksiin kuuluvat lähdön ylijännitteen ja ylivirran rajoitus, AC-virran yli- ja alijännitesuojaus sekä ylilämpötilasammutus. Laitteilla on hyvä häiriönsieto, mikä mahdollistaa EN61000-4-luokan ”A” suorituskykytasot täyttävät ratkaisut.

Kuva 4: Kuvassa InnoSwitch3-CP tyypillisessä sovelluksessa induktiivisella FluxLink-takaisinkytkentäliitännällä (katkoviiva) ensiö- ja toisiopuolen ohjainten välillä. (Kuvan lähde: Power Integrations)

Enintään 100 W:n sovelluksiin tarkoitettujen korkean hyötysuhteen flyback-muuntimien (esimerkkinä USB PD -virtalähteet, QC-adapterit ja vastaavat sovellukset) suunnittelijat voivat hyötyä InnoSwitch3-CP-laitteiden käytöstä, esimerkkinä mallit INN3278C, INN3279C ja INN3270C (taulukko 2). Näiden QR-kytkin-mikropiirien ominaisuuksiin kuuluvat CV- ja CC-tilat vakiovirtaprofiileilla. Ne tukevat lukituksen ja automaattisen uudelleenkäynnistyksen vakioyhdistelmiä. Kaapeleiden tehohäviön kompensointi on valinnainen ominaisuus.

Taulukko 2: InnoSwitch3-CP-tuoteperheen teholuokitukset adapteri- ja avorunkoisille malleille. (Taulukon lähde: Power Integrations)

Suunnittelijat voivat valita InnoSwitch3-EP-laitteen, kuten INN3678C, INN3679C ja INN3670C, sellaisiin sovelluksiin joissa ei käytetä vakiovirtaa, esimerkkinä sähkömittarit, teollisuuden ja älykkäiden sähköverkkojen virtalähteet sekä kodinkoneiden, kulutustavaroiden, kuluttajatuotteiden ja tietokoneiden valmiustila- ja biasvirta (taulukko 3).

Taulukko 3: InnoSwitch3-EP-mikropiirit on luokiteltu täydelle teholle jännitteellä 230 VAC ± 15 % sekä alennetulle teholle laajalla tulojännitealueella 85–265 VAC. (Taulukon lähde: Power Integrations)

InnoSwitch3-EP-laitteet tukevat hyvin monilähtöistä ristiinregulointia. Lähtövirran mittausta säädetään ulkoisella vastuksella, kun taas CV/CC-suorituskyky on erittäin tarkka ja riippumaton ulkoisista komponenteista. Nämä QR-flyback-kytkin-mikropiirit ovat saatavana valinnaisella lähdön automaattisella alijännitesuojauksella ja uudelleenkäynnistyksellä ja ne voidaan tilata vakio- tai huipputehovaihtoehtoina.

Tasauskondensaattorin miniatyrisointi ja kytkentävirran rajoitus

Komponenttimäärän vähentämiseksi entisestään ja AC-DC-virtalähteiden suorituskyvyn parantamiseksi InnoSwitch3 PowiGaN -mikropiiriä käyttävät suunnittelijat voivat myös hyödyntää täydentävää tasauskondensaattorin miniatyrisointi- ja kytkentävirran rajoitusmikropiiriä MinE-CAP erittäin korkean virtatiheyden ratkaisuissa (kuva 8). MinE-CAP voi pienentää tulon tasauskondensaattoreiden tilavuutta jopa 50 %. Se myös poistaa kytkentävirtaa rajoittavan NTC (Negative Temperature Coefficient) -termistorin tarpeen. MinE-CAP-piirin käyttö vähentää lisäksi tulon siltatasasuuntaajan ja sulakkeen rasitusta, mikä parantaa virtalähteen luotettavuutta.

Kuva 5: Tasauskondensaattorin miniatyrisointi- ja kytkentävirran rajoitusmikropiiri MinE-CAP on luonnollinen täydennys verkkovirralle tarkoitetuille InnoSwitch3-flyback-kytkin-mikropiireille korkean tiheyden AC-DC-virtalähteissä. (Kuvan lähde: Power Integrations)

InnoSwitch3-mikropiirien tavoin MinE-CAP hyödyntää PowiGaN-komponenttien pientä kokoa ja alhaista kytkentävastusta järjestelmän suorituskyvyn parantamiseksi. MinE-CAP kytkee ja katkaisee automaattisesti tasauskondensaattoriverkon segmenttejä AC-verkkojännitteen tilan mukaan. Tämän ansiosta suunnittelijat voivat käyttää pienintä tasauskondensaattoria (C_HV kuvassa 8) korkealle AC-verkkojännitteelle ja sijoittaa suurimman osan energiantallennuksesta alhaisemman jännitteen kondensaattoreihin (C_LV) käytettäväksi verkkojännitteen ollessa alhainen. Koska alhaisemman jännitteen kondensaattorit ovat huomattavasti pienempiä kuin korkean jännitteen kondensaattorit, MinE-CAP-piirin käyttö pienentää tulon tasauskondensaattoreiden yleistä kokoa ilman hyötysuhteen heikkenemistä, lähdön aaltoilun lisääntymistä tai tehomuuntajan uudelleensuunnittelun tarvetta.

MinE-CAP-piirin käyttö pienentää virtalähteiden kokoa yhtä tehokkaasti kuin kytkentätaajuuden lisääminen kutistaa muuntajan kokoa. MinE-CAP-ratkaisuissa käytetään vähemmän komponentteja ja niillä eliminoidaan korkeataajuussovellusten haasteet, kuten suuremmat muuntaja/liitinhäviöt ja korkeammat EMI-häiriöt.

Verkkosuunnittelutyökalut

Power Integrations tarjoaa myös PI Expert-työkalun, joka nopeuttaa verkkovirralle tarkoitettujen flyback AC-DC -virtalähteiden suunnittelua käytettäessä PowiGaN InnoSwitch3 -sarjan integroituja verkkovirralle tarkoitettuja flyback-kytkin-mikropiirejä. Automaattisen graafisen käyttöliittymän (GUI) ympärille rakennettu PI Expert käyttää virtalähteen spesifikaatioita luodakseen automaattisesti tehomuunnosratkaisun. Se tarjoaa suunnittelijoille kaikki tarvittavat tiedot prototyyppitehomuuntimen rakentamiseen ja testaamiseen. PI Expertin avulla suunnittelijat voivat tehdä täydellisen suunnitelman muutamassa minuutissa.

Suunnittelu PowiGaN-pohjaisilla InnoSwitch3-mikropiireillä on samanlaista kuin Si-pohjaisilla InnoSwitch3-piireillä. PI Expert toimii samalla tavalla optimoitaessa kytkentätaajuutta, EMI-suodatusta, muuntajasuunnittelua, biasointia ja synkronista tasasuuntausta käytetäänpä siinä PowiGaN- tai Si-piirejä. Työkalu toteuttaa automaattisesti kaikki muutokset, jotka tarvitaan PowiGaN-pohjaisten ratkaisujen korkeamman tehon saavuttamiseksi. Työkalu laatii interaktiivisen piirikaavion, täydellisen osaluettelon, yksityiskohtaiset sähköiset parametrit ja suositukset piirilevyn layoutia varten. Tulokset kattavat myös täydellisen magneettirakenteen sisältäen ytimen koon, johtimen paksuuden, rinnakkaisten johtojen määrän, kierrosten lukumäärän kutakin käämiä kohti sekä käämitysohjeet mekaanista kokoonpanoa varten.

Yhteenveto

Suunnittelijoiden täytyy lisätä tehotiheyttä, laskea kustannuksia ja lyhentää verkkovirralle tarkoitettujen 100 W:n virtalähteiden kehitysaikaa sovelluksissa, jotka ulottuvat AC-DC-latureista ja -adaptereista teollisuusjärjestelmiin. GaN WGB -tekniikan käytöstä voi olla apua, mutta GaN-piirien käyttö suunnittelussa vaatii piirilevyjen layoutiin ja muihin erittäin nopeaan kytkentään liittyvien ongelmien huolellista huomioon ottamista.

Kuten on esitetty, InnoSwitch3 QR flyback-kytkin-mikropiireihin perustuva integroidumpi lähestymistapa antaa suunnittelijoille mahdollisuuden kehittää elegantteja korkean hyötysuhteen tehomuuntimia, jotka tarjoavat GaN-kytkimien suorituskykyedut ja vähentävät samalla uuden teknologian käyttöönottoon yleensä liittyviä riskejä.

Käyttämällä InnoSwitch3-mikropiirejä yhdistettynä kytkentävirran rajoitus- ja tasauskondensaattorin miniatyrisointimikropiiriin Power Integrations MinE-CAP sekä yrityksen PI Expert -verkkosuunnittelutyökaluihin suunnittelijat voivat toteuttaa nopeammin kompakteja, robusteja ja kustannustehokkaita virtalähteitä, joissa on vähän komponentteja ja jotka täyttävät globaalit hyötysuhdestandardit.

Suositeltavaa luettavaa

1. Building an AC/DC Switcher is Easy with PI Expert (AC/DC-kytkimen rakentaminen on helppoa PI Expertin avulla)