تمكن تقنية GaN المبتكرة ذات الجهد العالي من مزايا النظام في تحويل الطاقة

تحدد خسائر التوصيل والتبديل في تطبيقات تحويل الطاقة كفاءة النظام وتقيد الحجم الكلي للمحول والتكلفة والأداء. تتمتع أشباه الموصلات ذات الفجوة العريضة (WBG) مثل نيتريد الغاليوم (GaN) وكربيد السيليكون (SiC) بالعديد من المزايا المادية المتعلقة بمجال كهربائي حرج أعلى بكثير وكثافة حاملة داخلية منخفضة مقارنة بتقنية السيليكون التقليدية (Si). تُترجم هذه إلى العديد من تحسينات أداء الجهاز ، لا سيما في أجهزة الطاقة عالية الجهد. في هذه المقالة ، سنسلط الضوء على حلقة نقاش عقدها فريق من Power Integrations في معرض PowerUp الأخير بعنوان “تطور GaN: الثقة في التكنولوجيا والابتكار في التصميم والإثارة من أجل المستقبل”.

تقوم شركة Power Integrations (PI) بتصنيع منتجات أشباه موصلات الطاقة المستخدمة في تحويل AC-DC ، و LED ، والبوابة ، وبرامج تشغيل المحركات التي تستهدف التطبيقات التجارية والصناعية والسيارات. ضمت اللجنة بالو بالاكريشنان ، الرئيس التنفيذي ورئيس مجلس الإدارة ؛ رادو بارسان ، نائب الرئيس للتكنولوجيا ؛ رولان سان بيير ، نائب الرئيس لتطوير المنتجات ؛ بيتر فوغان ، مدير تطوير أعمال السيارات ، وأدارها ديفيد تشين ، مدير هندسة التطبيقات.

تقنية PowiGaN من تكامل الطاقة

بالإضافة إلى المزايا المادية لـ GaN ، فإن الترانزستور عالي الحركة للإلكترون (HEMT) المستخدم بشكل شائع في تطبيقات طاقة GaN قد أضاف مزايا الجهاز لحركة الإلكترون العالية مع تكوين غاز إلكترون ثنائي الأبعاد وعملية أحادية القطب مع عدم وجود شوهد الجسم ف في الدوائر المتكاملة. نتيجة لذلك ، فإن المقاومة المحددة على الدولة (R_DSON) والخسائر الطفيلية من الانتعاش العكسي منخفضة. منخفض R_DSON يسمح بتقليص القالب ، مما يقلل من سعة الجهاز ، مثل سعة الخرج C._أوس والتي تلعب دورًا رئيسيًا في تحويل الخسارة. يعتبر GaN HEMT في جوهره وضع استنفاد (وضع d) أو جهاز يعمل بشكل طبيعي ، والطرق الثلاث الشائعة الاستخدام لاستخدام هذا في تطبيق تحويل الطاقة هي:

• Cascode HV HEMT مع LV Si MOSFET. تتحكم MOSFET في تشغيل الدائرة ، ويمكن أن يكون جهدها العتبة (Vt) في النطاق المفضل> 3V لضمان التبديل القوي مع انخفاض مخاطر التشغيل الخاطئ. يتم عادةً تجميع الجهازين معًا.
• قم بتشغيل HEMT في الوضع d مباشرة مع التحكم في البوابة السلبية من خلال دائرة Si المضافة التي يمكن دمجها في نفس الحزمة.
• يمكن إنشاء وضع تحسين (الوضع الإلكتروني) HEMT باستخدام بوابة p-GaN. ينتج عن هذا عادةً انخفاض Vt (<2V) وبالتالي يحتاج إلى رعاية لتجنب التبديل الخاطئ. تقوم بعض الشركات المصنعة بتكامل متجانسة لدائرة القيادة لتعزيز متانة الدائرة وسلامتها.

استخدم PI نهج cascode لمنتجات GaN الخاصة بهم ، المسماة PowiGaN. يتمثل أحد الاختلافات الرئيسية في عروض منتجاتهم في أنه نهج متكامل يجمع بين جهاز GaN المشفر ، والذي يستخدم كمفتاح أساسي في محول flyback ووحدة تحكم GaN ومحرك جانبي ثانوي للتحكم في المعدل المتزامن (SR) ، جنبًا إلى جنب مع رابط ردود الفعل الاستقرائي عالي السرعة والمعزول HIPOT (يسمى Fluxlink). تم تطوير تقنية PowiGaN داخليًا بواسطة PI. يوفر هذا النهج المتكامل مع ترتيب cascode GaN العديد من المزايا:

07.25.2023

07.24.2023

07.18.2023

• تتيح دائرة الكود الكاسيت استشعار التيار بدون فقد وتحيز ذاتي لجهاز GaN.
• أ أقل R_DSON ومعامل درجة الحرارة الخاص به مقارنة بالوضع الإلكتروني GaN يسمح بتحسين كثافة الطاقة.
• في حلقة النقاش ، أوضح الدكتور بارسان أن نهج GaN ذو الوضع المتتالي ذو الترميز d يخلق حلاً أكثر قوة وموثوقية مع مسار محسن لتوسيع نطاق الجهد العالي. يتم أيضًا تجنب متطلبات جهد البوابة السلبية.
• كان المعيار الرئيسي لـ PI هو جعل منتجاتهم فعالة من حيث التكلفة. يتميز GaN بمزايا واضحة على SiC في هذا المقياس. إن تقليل منحنى التكلفة في GaN مع اعتماد السوق بشكل أكبر ومزايا الأداء الخاصة به يجعله خيارًا واضحًا لاستبدال المحولات القائمة على Si عند مستويات طاقة منخفضة تصل إلى 30 وات.
• تضمن خوارزميات التحكم الخاصة ، بالإضافة إلى تقنية التغليف ، الأداء الأمثل للتطبيق المقصود. تعمل الخوارزمية المحكومة المصممة خصيصًا على تسطيح استجابة الكفاءة على نطاق التشغيل بأكمله ، ويقلل تبديل الوادي من خسائر التشغيل.
• يتم تضمين العديد من ميزات المراقبة والحماية في المنتج ، مثل حماية خط الإدخال السريع تحت الجهد والجهد الزائد (UV / OV) ، والجهد الزائد للإخراج والحد من التيار الزائد ، وإغلاق درجة الحرارة الزائدة ، والمفتاح الثانوي أو دائرة قصر الصمام الثنائي حماية.

يوضح الشكل 1 بعض منتجات PowiGaN المصنوعة بواسطة PI. لنلقِ نظرة على بعض مجموعات منتجات PowiGaN بمزيد من التفصيل.

Innoswitch3 Flyback Switcher IC المستندة إلى GaN

يوضح الشكل 2 مخططًا مبسطًا لمحول flyback باستخدام الجزء Innoswitch3-CP. هذا الجزء مخصص بشكل أساسي لشواحن USB PD ويستخدم على نطاق واسع في السوق.

بعض الميزات المحددة لمنتجات Innoswitch3 هذه هي:

• تحقق الدوائر المتكاملة القائمة على PowiGaN ما يصل إلى 94٪ من الكفاءة عبر نطاق التحميل الكامل وما يصل إلى 100 واط في محول مغلق دون الحاجة إلى مبدد حراري.
• وحدة التحكم الأساسية هي وحدة تحكم flyback شبه الرنين (QR) يمكن أن تعمل في وضع التوصيل المستمر (CCM) ، ووضع الحدود (CrM) ، ووضع التوصيل غير المستمر (DCM). تستخدم وحدة التحكم كلاً من أنظمة التحكم بالتردد المتغير والتيار.
• أجهزة GaN 650V لديها تصنيف 750V للزيادات غير المتكررة.
• يتم ضبط ترددات التحويل العادية للحصول على أفضل أداء وتكون عادةً في نطاق 60 إلى 70 كيلو هرتز.
• يتيح اتصال Fluxlink من الجانب الثانوي الاستجابة السريعة للحمل العابر ويلبي مناعة الضوضاء العالمية ومعايير العزل UL و TUV.
• كما هو مذكور أعلاه ، تشتمل العديد من ميزات المراقبة والحماية على استشعار خط الإدخال بدون خسارة ، وحماية من درجة الحرارة الزائدة ، وحماية ماس كهربائى SR FET ، و UV / OV والحدود الحالية ، إلخ.
• إنها موفرة للطاقة مع أقل من 30 ميجاوات من تبديد الطاقة بدون حمل (عائلة Innoswitch3-AQ المؤهلة للسيارات <15 ميجاوات).
• يتم تعبئة منتجات Innoswitch3 في حزمة تثبيت سطحي مملوكة من نوع InSOP-24D مع زحف عالٍ وأقصى تقدير للجهد العابر (V_IOTM، 1 ثانية) من 8 كيلو فولت.

يوضح الشكل 3 مقارنات الكفاءة لمحول بقدرة 65 وات باستخدام PowiGaN مقابل محول قائم على Si. تسمح كثافة الطاقة المتزايدة لشواحن صغيرة الحجم وخفيفة الوزن بمخرجات طاقة عالية.

تطبيقات السيارات لـ PowiGaN

تترجم الكفاءة العالية للحمل الخفيف في PowiGaN Innoswitch3 إلى مزايا النظام في توفير الطاقة الإضافية في السيارات الكهربائية (EVs). عائلة Innoswitch3-AQ مؤهلة AEC-Q100. في حلقة النقاش ، أوضح فوغان أن الاتجاه السائد في المركبات الكهربائية هو بناء طاقة أكثر توزيعًا ، مع إمكانية التخلص من بطاريات 12 فولت. أطلقت PI منتجات Innoswitch3-EP المستندة إلى 900 فولت من GaN و Innoswitch3-AQ المناسبة لحافلة نظام 400 فولت شائعة الاستخدام في المركبات الكهربائية. أحد التطبيقات الممكنة لـ GaN في EVs هو أيضًا الحفاظ على تشغيل السيارة (مع تعطيل مجموعة القيادة) بكفاءة أعلى أثناء الشحن ، حيث يمكن تلبية متطلبات مئات الواط مع مبدلات GaN.

منتج MinE-CAP لتصغير المكثفات السائبة لمحولات التيار المتردد / التيار المستمر

تم عرض استخدام مبتكر لتقنية GaN في منتج MinE-CAP من PI. يوضح الشكل 4 تنفيذًا تخطيطيًا لهذا المنتج في محول AC-DC للإدخال العالمي عالي الكثافة للطاقة. يتم وضع مفتاح GaN المزود بوحدة التحكم المدمجة في سلسلة مع مكثف الجهد المنخفض (˜160V المقدر) (C_LV). يزيل المفتاح بشكل فعال C_LV عند الفولتية العالية للخط ولا يقدمها إلا عند الفولتية المنخفضة الخطية عندما تكون سعة الإدخال القصوى مطلوبة. يتم تقليل الحجم المادي لمكثفات الإدخال نظرًا لأن النسبة المئوية الأعلى منها يمكن أن تكون الحجم الأصغر C_LV مكثف بدلاً من المصنف C الأكبر 400 فولت_HV مكثف.

بعض مزايا منتج MinE-CAP هي:

• صغير ، منخفض R_DSON يتيح مفتاح GaN منتجًا فعالاً في حزمة MiniSOP-16A ذات عامل الشكل الصغير.
• يمكن تقليل الحجم بنسبة 40-50٪ من خلال تقليل الحجم على المكثفات السائبة.
• تعد القدرة على زيادة التيار المحسن على المدى القصير لـ GaN عبر Si ميزة في هذا التطبيق.
• تتحقق إدارة تدفق التدفق المحسنة منذ C_LV لا تشارك في بدء التشغيل. أصغر C_HV يقلل ضغط الاندفاع على مقوم الجسر. الشحن المتحكم به لـ C_LV يزيل المقاوم NTC الذي يشيع استخدامه لحماية الاندفاع ، وتحسين كفاءة التحويل.
• في ظل ظروف التحميل الخفيف ، يستخدم MinE-CAP الشحن الهزيل لـ C._LV غطاء لدعم توصيل الطاقة أثناء خطوة تحميل لانقطاع الخط.
• تشمل ميزات المراقبة والحماية التظليل ، والارتفاع المفاجئ ، ودرجة الحرارة الزائدة ، بالإضافة إلى اكتشاف خطأ الفتح / القصر.

خاتمة

لقد وجد خط PowiGaN الخاص بمنتجات التحويل قبولًا كبيرًا في السوق في مساحة تطبيق شاحن USB-PD. صرح بالاكريشنان في حلقة نقاشية أن منتجات PowiGaN من PI قد تجاوزت الآن 1 تريليون ساعة جهاز في هذا المجال. سمح نهج التكامل على مستوى النظام لـ PI بتخصيص تقنية cascode GaN الخاصة بهم وخوارزميات التحكم لتلبية تطبيقات محددة بنجاح كبير. تتضمن خارطة الطريق لخط الإنتاج القائم على GaN من PI الانتقال إلى الفولتية العالية وتلبية متطلبات المركبات الكهربائية والتطبيقات الصناعية والسكنية الأخرى.

حصل Sonu Daryanani على درجة الدكتوراه. حصل على درجة الدكتوراه في هندسة الإلكترونيات عام 1993 من جامعة برادفورد بإنجلترا أثناء إجراء بحث في مختبرات AT&T Bell ، نيوجيرسي على الإلكترونيات الضوئية GaAs. على مدار الـ 25 عامًا الماضية ، كان مهندسًا لتكامل الأجهزة / العمليات في Microchip Technology ، AZ حيث عمل على وحدات التحكم الدقيقة والأجهزة المنفصلة. وهو الآن مستشار وكاتب في PowerElectronics News. يمكن الوصول إليه على sldaryanani@gmail.com