Zintegrowanie przełączników GaN w układach wysokowydajnych zasilaczy AC/DC

Rozwiązaniem wielu z tych problemów jest zastąpienie krzemowych tranzystorów przełączających wersjami opartymi na półprzewodnikach szerokopasmowych (WBG), takimi jak azotek galu (GaN). Ta prosta zmiana przekłada się na dużo lepszą sprawność i mniejszą wielkość niezbędnych do chłodzenia radiatorów oraz większą moc wyjściową dla równoważnej objętości. Jednak w porównaniu z tranzystorami krzemowymi, przełączniki GaN są trudniejsze w sterowaniu. Używając GaN-ów trzeba też pokonać problemy pojawiające się przy dużej szybkości przełączania tych elementów związane z obecnością reaktancji pasożytniczych będących źródłem oscylacji, co wymaga poświęcenia na projekt dodatkowego czasu i poniesienia kosztów. Zamiast tego można skorzystać ze zintegrowanych układów scalonych kontrolerów przetwornicy zaporowej (flyback) do zasilaczy AC/DC offline (separowanych galwanicznie) z wewnętrznymi tranzystorami mocy GaN. W tym artykule omówiono zalety użycia półprzewodników GaN w układach zasilających i związanych z nimi problemów. Następnie przedstawiono trzy rodziny układów kontrolerów z wbudowanymi takimi przełącznikami firmy Power Integrations ze wskazaniem, w jaki sposób można je wykorzystać do tworzenia wysokosprawnych zasilaczy. Omówiono też możliwości zapewniane przez kondensatory MinE-CAP i układy ograniczników prądu udarowego, a także przedstawiono środowisko online do projektowania zasilaczy.

Korzyści zapewniane przez GaN

GaN to nowy materiał półprzewodnikowy o szerokiej przerwie zabronionej, który w porównaniu do krzemu zapewnia małą rezystancję w stanie włączenia, dużą wytrzymałość na przebicie oraz szybkie prędkości przełączania, a także dużą przewodność cieplną. Zastosowanie tranzystora mocy GaN w miejsce krzemowego zapewnia znacznie mniejsze straty podczas przełączania. Ponadto GaN-y o równoważnej rezystancji mają znacznie mniejsze struktury niż ich krzemowe odpowiedniki. W rezultacie, dla danego typu, przełącznik na GaN ma mniejsze zarówno straty przewodzenia, jak i przełączania (rys. 1).

 

Rys. 1. Dla takiej samej wielkości struktury tranzystory GaN mają mniejszą rezystancję w stanie włączenia, co zapewnia mniejsze straty mocy w porównaniu z krzemowymi MOSFET-ami

Chociaż GaN ma wiele zalet, projektowanie zasilaczy z tymi tranzystorami może być trudne. Na przykład, ze względu na dużą szybkość przełączania (stromość zboczy napięć i prądów) problemem są wszystkie indukcyjności pasożytnicze i pojemności rozproszenia pochodzące z płytki drukowanej i komponentów dyskretnych. Strome zbocza (duże dV/dt) wywołują oscylacje o wysokiej częstotliwości, wywołujące zakłócenia elektromagnetyczne (EMI), które należy odfiltrować oraz tłumić, aby zapobiec uszkodzeniom od przepięć. Ponadto szybkie przełączanie GaN-ów utrudnia ich ochronę przed przeciążeniem, ponieważ mogą one ulec uszkodzeniu szybciej, niż są w stanie zareagować obwody zabezpieczające.

Prostota bez kompromisów w wydajności

Firma Power Integrations rozwiązała te kłopoty, projektując scalone kontrolery zasilaczy pracujących w topologii quasi-rezonansowej ze zintegrowanym stopniem mocy PowiGaN. Są to InnoSwitch3-CP, InnoSwitch3-EP i InnoSwitch3-Pro (rys. 2). PowiGaN to opracowane przez Power Integrations rozwiązanie tranzystorów kluczujących pracujących po stronie pierwotnej GaN, które zastępuje tradycyjne tranzystory krzemowe używane w kontrolerach fl yback i rodzinie produktów InnoSwitch3. Nowy kontroler zawiera niezbędne obwody pracujące po stronie pierwotnej i wtórnej zasilacza, a także ma obwód sprzężenia zwrotnego. Całość jest w zamknięta w obudowie SMD InSOP-24D. Taki duży stopień integracji pomaga zmniejszyć złożoność układu zasilacza, ograniczyć poziom generowanych zaburzeń elektromagnetycznych, jednocześnie poprawić sprawność i zmniejszyć wymiary.

 

Rys. 2. Sterowniki przetwornicy zaporowej offline InnoSwitch3 z przełącznikami GaN są produkowane w małych obudowach InSOP-24

Zastosowanie tego układu sterownika pozwala projektantom zasilaczy skupić się na konwersji mocy, zapewnieniu wydajności i innych kwestiach dotyczących aplikacji bez rozpraszania uwagi implementacją technologii GaN.

Trzy serie InnoSwitch3 z wbudowanymi przełącznikami PowiGaN zostały zoptymalizowane pod kątem następujących zastosowań:

• InnoSwitch3-CP – ładowanie baterii z użyciem stałej mocy,
• InnoSwitch3-EP – zasilacze AC-DC do zastosowań konsumenckich i przemysłowych,
• InnoSwitch3-Pro zawierają cyfrowy interfejs I²C do programowania wartości napięcia (CV), prądu (CC) oraz progów zadziałania zabezpieczeń.

Prostota bez kompromisów w wydajności

Firma Power Integrations rozwiązała te kłopoty, projektując scalone kontrolery zasilaczy pracujących w topologii quasi-rezonansowej ze zintegrowanym stopniem mocy PowiGaN. Są to InnoSwitch3-CP, InnoSwitch3-EP i InnoSwitch3-Pro (rys. 2). PowiGaN to opracowane przez Power Integrations rozwiązanie tranzystorów kluczujących pracujących po stronie pierwotnej GaN, które zastępuje tradycyjne tranzystory krzemowe używane w kontrolerach flyback i rodzinie produktów InnoSwitch3. Nowy kontroler zawiera niezbędne obwody pracujące po stronie pierwotnej i wtórnej zasilacza, a także ma obwód sprzężenia zwrotnego. Całość jest w zamknięta w obudowie SMD InSOP-24D. Taki duży stopień integracji pomaga zmniejszyć złożoność układu zasilacza, ograniczyć poziom generowanych zaburzeń elektromagnetycznych, jednocześnie poprawić sprawność i zmniejszyć wymiary.

Zastosowanie tego układu sterownika pozwala projektantom zasilaczy skupić się na konwersji mocy, zapewnieniu wydajności i innych kwestiach dotyczących aplikacji bez rozpraszania uwagi implementacją technologii GaN.

Trzy serie InnoSwitch3 z wbudowanymi przełącznikami PowiGaN zostały zoptymalizowane pod kątem następujących zastosowań:

• InnoSwitch3-CP – ładowanie baterii z użyciem stałej mocy,
• InnoSwitch3-EP – zasilacze AC-DC do zastosowań konsumenckich i przemysłowych,
• InnoSwitch3-Pro zawierają cyfrowy interfejs I²C do programowania wartości napięcia (CV), prądu (CC) oraz progów zadziałania zabezpieczeń.

Układy InnoSwitch3 pracują w topologii quasi-rezonansowej, zapewniają sprawność do 95% w całym zakresie obciążeń i realizują wyjście o stałym napięciu (CV), prądzie (CC) i stałej mocy (CP). Pomiar wartości prądu wyjściowego jest realizowany bezstratnie, co eliminuje potrzebę stosowania zewnętrznych rezystorów pomiarowych. Elementy te zmniejszają sprawność, a w typowych układach ich rezystancja przekracza rezystancję w stanie włączenia tranzystorów GaN.

Inne kluczowe cechy obejmują pomiar parametrów wyjściowych zasilacza po stronie wtórnej, wbudowany sterownik synchronicznego prostownika wyjściowego z MOSFET-em, obwód sprzężenia zwrotnego indukcyjnego FluxLink zapewniający izolację powyżej 4 kVAC, zgodność z wymaganiami w zakresie sprawności, małe EMI, bezpieczeństwo i zgodność z UL1577 i EN62368 oraz doskonałą dynamikę odpowiedzi w stanach przejściowych (zmiana napięcia wyj. w odpowiedzi na skok obciążenia).

Cyfrowo programowane kontrolery zasilaczy fl yback CV/CC QR

Projektanci uniwersalnych ładowarek, zasilaczy ledowych CV i CC, programowalnych zasilaczy zgodnych z USB PD 3.0+, adapterów QC i podobnych aplikacji mogą skorzystać z układów InnoSwitch3-Pro, w tym INN3378C, INN3379C i INN3370C, które są przeznaczone do zasilaczy adapterowych o mocy do 90 W oraz jednostek open frame do 100 W (tabela 1). Nadają się one również do zastosowań, gdy wymagana jest precyzyjna regulacja prądu wyjściowego i napięcia (obsługiwane są kroki 10 mV i 50 mA).

Interfejs I²C upraszcza rozwój i produkcję zasilaczy dzięki możliwości programowania (rys. 3). Umożliwia to kontrolę prądu i napięcia wyjściowego. Może być używany do konfigurowania parametrów wyjścia dla trybów CV, CC i CP, ustawień progów aktywacji zabezpieczeń oraz do sygnalizacji usterek. Dostępny pomocniczy zasilacz 3,6 V może być używany do zasilania mikrokontrolera (MCU). Pobór mocy bez obciążenia <30 mW (w tym zasilacz MCU) spełnia wszystkie wymagania dotyczące efektywności energetycznej.

 

Rys. 3. Układy scalone InnoSwitch3-Pro zawierają interfejs I²C umożliwiający cyfrowe sterowanie i monitorowanie zasilacza oraz mają zintegrowany pomocniczy zasilacz 3,6 V (uVCC) do zewnętrznego MCU

Kontrolery konfigurowane sprzętowo

W przypadku zastosowań, które nie wymagają programowania ani monitorowania, Power Integrations oferuje konfigurowane sprzętowo serie InnoSwitch3-CP (rys. 4) i -EP. Podobnie jak InnoSwitch3-Pro, zawierają one wszystkie obwody niezbędne do realizacji układu strony pierwotnej i wtórnej oraz sprzężenia zwrotnego z izolacją lepszą niż 4 kVAC. Funkcje zabezpieczające obejmują zabezpieczenie nadnapięciowe i nadprądowe, ochronę przed za małym i za dużym napięciem w sieci AC oraz z wyłączeniem w przypadku przegrzania. Układy te charakteryzują się dużą odpornością na zakłócenia, dzięki czemu projekty spełniają normy EN61000-4 dla klasy "A".

 

Rys. 4. Układ InnoSwitch3-CP w typowej aplikacji z pętlą sprzężenia zwrotnego FluxLink realizowaną indukcyjnie (linia przerywana)

Projektanci wysokosprawnych przetwornic zaporowych o mocy do 100 W, do zastosowań takich jak USB PD, adaptery QC, mogą natomiast sięgnąć po serię InnoSwitch3-CP i układy takie jak INN3278C, INN3279C i INN3270C (tabela 2). Realizują one regulację CV i CC z typowymi funkcjami automatycznego restartu lub blokady po błędzie. Kompensacja spadku napięcia na kablu jest opcjonalna.

W przypadku zastosowań takich jak liczniki mediów, zasilacze przemysłowe i inteligentne sieci, zasilanie w trybie czuwania do sprzętu AGD, produktów konsumenckich i komputerów, które nie są ciągle obciążone, proponowane sterowniki to seria InnoSwitch3-EP i wersje takie jak INN3678C, INN3679C i INN3670C (tabela 3).

InnoSwitch3-EP sprawdzają się także w zasilaczach o kilku napięciach wyjściowych i zapewniają dobrą jednoczesną stabilizację kilku napięć. Pomiar prądu wyjściowego można zrealizować za pomocą zewnętrznego rezystora, a działanie CV/CC jest bardzo dokładne i niezależne od jakichkolwiek komponentów zewnętrznych. Opcjonalnie dostępne są rozwiązania z zabezpieczeniem podnapięciowym z automatycznym restartem i możliwością przeciążania chwilowego (dostarczania chwilowo większej mocy).

Minimalizacja wielkości kondensatorów i mały prąd rozruchu

Aby jeszcze bardziej zredukować liczbę komponentów i zwiększyć wydajność zasilaczy AC-DC, projektanci używający z rodziny InnoSwitch3 PowiGaN mogą również wykorzystać chip MinE- -CAP pozwalający użyć mniejszego kondensatora filtrującego i ograniczyć prąd rozruchu (rys. 5). MinE-CAP może zmniejszyć objętość wejściowych kondensatorów nawet o 50% i eliminuje potrzebę stosowania termistora NTC ograniczającego prąd rozruchowy. Zastosowanie MinE-CAP redukuje również obciążenie wejściowego prostownika i bezpiecznika, co skutkuje poprawą niezawodności.

 

Rys. 5. Układ MinE-CAP pozwala na użycie kondensatora filtrującego o mniejszych wymiarach i pełni funkcję ogranicznika prądu rozruchu

Podobnie jak InnoSwitch3 chipy MinE-CAP także opierają się na tranzystorach PowiGaN. Układ ten automatycznie podłącza i odłącza dodatkowy pomocniczy kondensator filtrujący w zależności od chwilowego napięcia w linii AC. Umożliwia to użycie kondensatora głównego o mniejszych wymiarach (CHV na rys. 5), które działają, gdy napięcie sieciowe AC jest wysokie, jednocześnie umieszczając większość magazynowanej energii w kondensatorach o niższym napięciu znamionowym (CLV), wykorzystywanych, gdy napięcie wejściowe jest niskie. Ponieważ kondensatory o niższym napięciu są znacznie mniejsze niż kondensatory wysokonapięciowe, zastosowanie układu MinE-CAP zmniejsza sumaryczne ich rozmiary bez pogorszenia parametrów, tj. bez wzrostu poziomu tętnień i bez konieczności przeprojektowania transformatora mocy.

Zastosowanie MinE-CAP-ów redukuje rozmiar zasilaczy tak samo skutecznie, jak zwiększenie częstotliwości przełączania w celu zmniejszenia rozmiaru transformatora. Układy MinE-CAP nie wymagają wielu komponentów dodatkowych i eliminują problemy projektowe jak wyższe EMI lub powstające oscylacje na pasożytniczych reaktancjach.

Narzędzia do projektowania online

Power Integrations udostępnia również oprogramowanie PI Expert ułatwiające projektowanie konwerterów zaporowych AC-DC z użyciem rodziny produktów InnoSwitch3 z tranzystorami mocy PowiGaN. PI Expert ma łatwy w użyciu interfejs użytkownika typu GUI i w oparciu o specyfikacje wybranych podzespołów automatycznie tworzy przykładowe rozwiązania zasilające i dostarcza wszystkich informacji potrzebnych do zbudowania i przetestowania prototypowego konwertera. Korzystając z PI Expert, projektanci mogą przygotować kompletny projekt w ciągu kilkunastu minut.

Projektowanie zasilaczy z użyciem układów InnoSwitch3 PowiGaN przebiega tak samo, jak dla wersji krzemowych. Narzędzie to automatycznie wprowadza wszelkie zmiany potrzebne do poprawnego dostosowania projektów opartych na PowiGaN i tworzy interaktywny schemat, zestawienie niezbędnych komponentów, specyfikację parametrów elektrycznych i zalecenia dotyczące układu płytki drukowanej. Wynik działania obejmuje również konstrukcję elementów magnetycznych łącznie z typem rdzenia, grubością drutów, liczbą zwojów i warstw w każdym uzwojeniu, a nawet instrukcję nawijania.

Podsumowanie

Rodzina kontrolerów quasi-rezonansowej przetwornicy zaporowej InnoSwitch3 ze zintegrowanymi tranzystorami mocy GaN pozwala szybko przygotować projekt wysokosprawnego małego zasilacza o mocy do 100 W, bez ryzyka zwykle związanego z implementacją nowej technologii. Użycie dodatkowo w projekcie sterownika MinE-CAP pozwala zmniejszyć rozmiar wymaganego kondensatora filtrującego oraz zapewnić małą wartość prądu rozruchowego.

Digi-Key Electronics
https://www.digikey.pl/