Leveän energiaraon teknologian käyttö hyötysuhteen ja tehotiheyden maksimointiin korkeajännitteisessä ledivalaistuksessa

Korkeajännitteinen ledivalaistus on osoittautunut käyttökelpoiseksi korvaajaksi aikaisemmille teknologioille, kuten HID (high-intensity discharge) -valaistus. Kun korkeajännitteinen ledivalaistus otettiin käyttöön, monet valmistajat aloittivat kiireesti sen tuotannon ja valmistuksen erilaisiin sovelluksiin. Vaikka valon laatua ja tehotiheyttä voitiin lisätä merkittävästi, hyötysuhteesta on tullut tärkeä parannettava ominaisuus. Lisäksi vikaantumisaste oli ensimmäisissä sovelluksissa paljon odotettua korkeampi. Korkeajännitteisen ledivalaistuksen suurimmat haasteet ovat tehotiheyden ja hyötysuhteen jatkuva kasvattaminen, luotettavuuden parantaminen ja hinnan laskeminen tulevaisuuden sovelluksia varten. Tässä artikkelissa käsitellään leveän energiaraon (GaN) teknologiaa ja sitä, miten sillä voidaan ratkaista korkeajännitteisen ledivalaistuksen hyötysuhdetta ja tehotiheyttä koskevat haasteet. Tässä artikkelissa osoitetaan, miten leveän energiaraon tekniikkaa voidaan käyttää hyötysuhteen ja tehotiheyden maksimointiin ja siinä keskitytään kuvassa 1 esitetyn lediohjainarkkitehtuurin jännitteenalennusosaan.

Leveän energiaraon (GaN) puolijohteita voidaan käyttää korkeammilla kytkentätaajuuksilla perinteisiin puolijohteisiin, kuten piihin, verrattuna. Leveän energiaraon materiaalit vaativat suuremman energiamäärän elektronin virittämiseksi, jotta se hyppäisi valenssivyön yläpäästä johtavuusvyön alapäähän, missä sitä voidaan käyttää virtapiirissä. Energiaraon kasvattamisella on siis suuri vaikutus laitteeseen (ja se mahdollistaa pienemmän piirikoon käyttämisen samaan tehtävään). Galliumnitridin (GaN) kaltaiset materiaalit, joilla on suurempi energiarako, kestävät voimakkaampia sähkökenttiä. Leveän energiaraon materiaalien ratkaiseviin ominaisuuksiin kuuluvat vapaiden elektronien korkeat nopeudet ja korkeampi elektronikentän tiheys. Näiden keskeisten ominaisuuksien ansiosta GaN-kytkimet ovat jopa 10 kertaa vastaavaa piikomponenttia nopeampia ja huomattavasti pienempiä, mutta niillä on sama resistanssi ja läpilyöntijännite. GaN on täydellinen korkeajännitteisiin ledisovelluksiin, sillä nämä keskeiset ominaisuudet tekevät siitä ihanteellisen tulevaisuuden valaistuskäyttöön.

Kuva 1: Ei-erotetun suuritehoisen lediohjaimen järjestelmäarkkitehtuuri. (Kuvan lähde: STMicroelectronics)

Kuvassa 1 esitetään korkean tason arkkitehtuuri ledivalaisinsovelluksesta. Se tarjoaa perusesimerkin leveän energiaraon GaN-tekniikan soveltamisesta. Vaikka leveän energiaraon materiaaleja voidaan käyttää eri kohdissa sovellusta, keskitymme vihreällä värillä korostetun korkeajännitteisen virtageneraattorin jännitteenalennukseen, jonka avulla leveän energiaraon teknologiaa voidaan hyödyntää hyötysuhteen ja tehotiheyden maksimointiin. Useimmat valaistussovellukset vaativat korkeaa tehokerrointa ja matalaa harmonista säröä laajalla AC-tulojännitealueella. Tässä tapauksessa on suositeltavaa käyttää PFC-jännitteenkorotusta, jotta lediohjain saa puhtaan 400 V_DC:n tulon tehonlaatuvaatimuksien täyttämiseksi. Etuasteen PFC-korotusmuuntimelle on useita vaihtoehtoja: siirtymätila (TM), jatkuva johtavuustila (CCM) ja muita. Siirtymätilalle on ominaista toiminta muuttuvalla taajuudella ja nollavirtakytkentä MOSFET-tehotransistorin kytkeytyessä päälle. Muita etuja ovat yksinkertainen rakenne, pienikokoinen induktiokela ja se, ettei jännitteenkorotusdiodin tarvitse toipua estosuunnasta. Suurimmat haasteet ovat korkea huippu- ja RMS-tulovirta, mikä aiheuttaa tehon kasvaessa myös suuremman EMI-suodattimen tarpeen. CCM sen sijaan käyttää kiinteää toimintataajuutta. Jännitteenkorotusinduktorin virralla on aina keskiarvoinen komponentti ja lisäksi sen ylityspisteet ovat lähellä nollaa. Induktori on suunniteltu 20–30 %:n aaltoilulle, jolloin käytettävä EMI-suodatin voi olla pienempi kuin TM-tekniikassa. Tämä tarkoittaa myös suurempaa jännitteenkorotusinduktoria ja pienempää EMI-suodatinta samalle lähtöteholle TM-tekniikkaan verrattuna. Suurimmat haasteet ovat kompleksisempi ohjaus ja ultranopean, pehmeästi toipuvan diodin tai SiC-diodin tarve. Sen vuoksi jatkuvan johtavuustilan PFC-korotusmuunnin on yleensä siirtymätilan PFC-korotusmuunninta kalliimpi. Ihannetapauksessa CCM PFC -korotusmuuntimissa voidaan käyttää tasasuuntausdiodin sijasta kytkintä ilman estosuunnan toipumista. Tämä tekee GaN-transistoreista erittäin hyviä kandidaatteja tähän sovellukseen.

Erotus voidaan haluttaessa lisätä tehomuunnon tulovaiheen ja toisen vaiheen välille. Tässä esimerkissä erotusta ei käytetä ja PFC-tulovaihetta seuraa ei-erotettu käänteinen jännitteenalennusaste CC/CV-ohjauksella. Tapauksissa, joissa erotusta tarvitaan, voidaan käyttää resonanssitehomuunninta (LLC, LCC) tai flyback-muunninta sovelluksen lähtötehovaatimusten mukaan.

PFC-korotusmuunnin tuottaa lähtöön säädetyn DC-väyläjännitteen (joka on AC-tulojännitteen huippuarvoa korkeampi) ja syöttää tämän korkeamman DC-väyläjännitteen käänteiseen jännitteenalennusasteeseen. Jännitteenalennuksen toiminta on melko yksinkertaista. Kun jännitteenalennusmuuntimen kytkin on kiinni, induktorin jännite vastaa tulo- ja lähtöjännitteen välistä eroa (V_IN – V_OUT). Kun kytkin on auki, flyback-diodi tasasuuntaa virran, ja induktorin jännite vastaa lähtöjännitettä.

MasterGaN SIP (System-in-Package) -ratkaisu lediohjaimia varten

Korkeajännitteisten valaistussovellusten suurimpia haasteita on tehotiheyden ja hyötysuhteen ohella suunnittelun kompleksisuus. Piirin tehotiheyttä ja hyötysuhdetta voidaan parantaa käyttämällä leveän energiaraon puolijohteita, kuten GaN. ST:n MasterGaN-tuoteperhe vastaa tähän haasteeseen yhdistämällä korkeajännitteiset, älykästehoiset BCD-prosessihilaohjaimet ja korkeajännitteiset GaN-transistorit samaan koteloon. MasterGaN mahdollistaa kuvassa 1 esitetyn topologian helpon toteuttamisen. Se sisältää kaksi 650 V:n GaN HEMT -transistoria puolisiltakonfiguraatiossa sekä hilaohjaimet. Tässä esimerkissä koko jännitteenalennuksen tehoaste on integroitu yhteen ainoaan 9x9 mm:n QFN-koteloon, joka tarvitsee minimaalisen määrän ulkoisia komponentteja. SiP-ratkaisu sisältää jopa bootstrap-diodin, jota tarvitaan yleensä erotetun korkeajänniteosan syöttöön yläpuolesta ja alapuolesta koostuvassa puolisiltahilaohjaimessa. Näin ollen MasterGAN-laitetta käyttävän sovelluksen tehotiheyttä voidaan kasvattaa huomattavasti tavalliseen piipohjaiseen ratkaisuun verrattuna, ja samalla kytkentätaajuutta ja lähtötehoa voidaan kasvattaa. Tässä nimenomaisessa lediohjainsovelluksessa piirilevyn pinta-ala on 30 prosenttia pienempi eikä se tarvitse jäähdytyslevyjä.

CCM on paras toimintatila suuritehoisiin ledivalaisinsovelluksiin. CCM-toteutus GaN-komponenteilla mahdollistaa aiemmin käsitellyt korkean tason hyödyt sekä alhaisemmat kustannukset. Suuritehoisiin sovelluksiin ei tarvita erittäin alhaisia R_DSON-arvoja, koska kytkentähäviöiden osuus kokonaistehohäviöistä on pieni. GaN myös lieventää CCM-teknologian merkittävää huonoa puolta eliminoimalla toipumishäviöt ja vähentämällä sähkömagneettisia häiriöitä, koska GaN-komponenteissa ei esiinny estosuunnan toipumista. CCM-teknologia kiinteällä poiskytkentäajan ohjauksella tekee helpommaksi kompensoida myös lähtövirran aaltoilun riippuvuus V_OUT-jännitteestä. On selvää, että GaN-kytkintoteutus ja CCM-teknologia muodostaa loistavan yhdistelmän korkeajännitteisiin ledivalaistussovelluksiin sekä moniin muihin sovelluksiin.

Kuvassa 2 esitetään käänteisen jännitteenalennustopologian peruskaavio sekä toteutus, jossa käytetään MASTERGAN4-ohjainta.

Kuva 2: MASTERGAN4-ohjaimella toteutettu käänteinen jännitteenalennustopologia. (Kuvan lähde: STMicroelectronics)

MASTERGAN4 sisältää kaksi 225 mΩ (tyypillinen lämpötilassa 25 °C) ja 650 V:n GaN-transistoria puolisiltakonfiguraatiossa, dedikoidun puolisiltahilaohjaimen ja bootstrap-diodin. Tämä korkea integraatiotaso yksinkertaistaa suunnittelua ja minimoi piirilevykoon pienen 9x9 mm:n QFN-kotelon ansiosta. Kuvassa 3 näkyvä evaluointikortti suunniteltiin käyttäen MASTERGAN4-tuoteperhettä ja käänteistä jännitteenalennustopologiaa. Sillä on seuraavat spesifikaatiot: maksimi tulojännite jopa 450 V, ledinauhan lähtöjännite voidaan asettaa välille 100–370 V, sen toimintatilana on FOT (Fixed Off Time) CCM kytkentätaajuudella 70 kHz ja sen maksimi lähtövirta on 1 A.

Kuva 3: Esimerkki MASTERGaN4-ohjaimella toteutetusta käänteisestä jännitteenalentimesta. (Kuvan lähde: STMicroelectronics)

Tähän ratkaisuun kuuluvalla ohjaimella HVLED002 tuotetaan yksittäinen PWM-ohjaussignaali. Yksinkertaisiin Schmitt-laukaisuihin perustuvalla ulkoisella piirillä tuotetaan sen jälkeen kaksi komplementaarista signaalia, joilla aktivoidaan ala- ja yläpuolen GaN-transistorit sopivalla viivästysajalla. Kokoonpano sisältää myös kaksi lineaarista regulaattoria MASTERGAN4-ohjaimen tarvitsemien syöttöjännitteiden tuottamiseksi. MASTERGAN4-ohjaimella toteutettava käänteinen jännitteenalennustopologia ratkaisee korkeamman tehotiheyden ja hyötysuhteen tarpeen. Alla kuvatut tulokset puhuvat puolestaan.

Kokeelliset tulokset:

Kuvassa 4 esitetyt hyötysuhdekuvaajat osoittavat ehdotetun ratkaisun edut perinteiseen piiratkaisuun verrattuna ledinauhajännitteen funktiona lähtövirroille 0,5 A ja 1 A.

Kuva 4: MasterGaN-ohjaimen ja MOSFET-piitransistorin hyötysuhde/ledijännite. (Kuvan lähde: STMicroelectronics)

MASTERGAN4-ohjaimen hyötysuhde pysyy vähintään 96,8 prosentissa ledinauhan koko jännitealueella. Kaaviosta on havaittavissa myös, että hyötysuhteen kasvu maksimoituu kaikilla tehotasoilla GaN-ratkaisun pienten johtavuushäviöiden sekä minimaalisten ohjaus- ja kytkentähäviöiden ansiosta.

Taulukko 1: GaN-ohjaimen ja MOSFET-piitransistorin kokovertailu

Taulukko 1 vertaa piiratkaisua MASTERGAN4-pohjaiseen ratkaisuun. Kuten taulukko osoittaa, GaN-rakenne pienentää piirilevyn kokonaispinta-alaa yli 30 prosenttia. Tulokset osoittavat yhden tavan käyttää GaN-transistoria tässä käänteisessä jännitteenalennustopologiassa. Lähtöinduktorin ja kondensaattorin kokoa voidaan pienentää nostamalla kytkentätaajuudeksi yli 70 kHz, mutta tämä lisää ohjaus- ja kytkentähäviöitä. Kun taajuus kasvaa ja suodattimen koko pienenee, elektrolyyttikondensaattorit voidaan korvata luotettavammilla ja suuremmilla keraamisilla kondensaattoreilla. Suodatinkondensaattorin ja jännitteenalennusinduktorin kokojen välinen tasapaino voidaan optimoida kohdesovelluksen vaatiman kytkentätaajuuden mukaan.

Yhteenveto

Tässä artikkelissa on käsitelty MASTERGAN4-ohjaimeen perustuvan käänteisen jännitteenalennustopologian toteuttamista ledivalaistussovelluksia varten. SiP-konfiguraatio käyttää 650 V:n ja 225 mΩ:n GaN-transistoreita puolisiltakonfiguraatiossa sekä dedikoituja hilaohjaimia. GaN-ratkaisu on piihin verrattuna hyötysuhteeltaan parempi ja vaatii vähemmän piirilevytilaa. MasterGaN on ihanteellinen ratkaisu kompaktiin, huipputehokkaaseen ja suuritehoiseen käänteiseen jännitteenalennustoteutukseen valaistussovelluksia varten.