Günümüz elektronik dünyasında tıbbi cihazlardan, cep telefonu ve laptop şarj cihazlarından, yardımcı güç kaynaklarına kadar güç dönüştürücülere ihtiyaç duyulmaktadır. Küçülen paket boyutları, ısı yönetimi, değişken giriş voltajları ve akıllı şarj protokollerinin tümü güç ve dönüştürücü tasarımlarını karmaşık hale getirir ve daha yüksek enerji verimliliği gerektirir.
Son on yılda, galyum nitrür (GaN) çip üstü entegre devreleri (IC) kullanan yeni anahtarlama teknolojileri ortaya çıktı. Galyum nitrür devreleri atomik düzeydeki özellikler bakımından farklılık gösterir, bu nedenle güç dönüştürücü tasarımcıları hem zorluklarla hem de çözümlerle karşı karşıya kalır.
GaN yarı iletkeni çok geniş bant aralığına sahiptir; 3,4 eV'de bant aralığı silikon yarı iletkenin bant aralığının üç katından fazladır. Diğer geniş bant aralıklı malzemeler gibi, GaN yarı iletkenleri de daha yüksek voltajlarda ve +400°C'ye kadar sıcaklıklarda çalışabilir, bu da onları daha yüksek güç uygulamaları, daha yüksek frekanslar, radyo frekansı (RF) ve 5G uygulamaları için uygun kılar.
Güç dönüştürücü uygulamalarında, GaN IC, seri empedans (RDS (ON) ve paralel kapasitans (COSS) gibi transistörle ilgili kayıpları silikon IC'den daha küçük bir genel boyutta optimize eder. Silikon IC ile aynı ayak izi içinde, GaN IC yalnızca daha yüksek frekansları değil aynı zamanda daha az ısıyı da işleyebilir. Bu özellik, tasarımcıların hacimli radyatörleri küçültmesine veya ortadan kaldırmasına olanak tanır.
Ancak GaN transistörlerinin kontrolü zahmetli olabilir. Bu tip transistörün yüksek frekanslara dayanma yeteneği, gecikmeleri ortadan kaldırmak ve gereksiz elektromanyetik girişimi (EMI) önlemek için bu transistörün anahtarlama hızını etkili bir şekilde azaltmak amacıyla kontrol sürücüsünün fiziksel olarak bu transistöre yakın olması gerektiği anlamına gelir. GaN kullanan güç dönüştürücü tasarımcıları, birincil taraf (giriş) için yüksek voltajlı bir güç anahtarını ikincil taraf (çıkış) için bir kontrol IC'si ve bir geri besleme devresiyle birleştiren tek bir cihaz kullanarak bu zorlukları ortadan kaldırır.
Anahtar işleminin ayrıntılı özellikleri
Power Integrations, PopwiGaN ™ Teknik InnoSwitch3 ürünlerini kullanır ve bu tür paketleme cihazlarının birden fazla serisini geliştirmiştir. Örneğin, InnoSwitch3-CP serisi transfer anahtarı IC (Şekil 1), sabit bir güç (CP) eğrisi elde etmek amacıyla sabit bir voltaj (CV)/sabit akım (CC) çıkışı sağlamak için yarı rezonans (QR) uyarılma önleyici kontrol cihazı kullanır.
Bu entegrenin birincil ve ikincil tarafları elektriksel olarak yalıtılmıştır ancak çıkış voltajı ve akım bilgisi, endüktif bağlantı yoluyla ikincil denetleyiciden birincil denetleyiciye iletilir. FluxLink iletişim teknolojisi, hızlı yük geçici tepkisi ve 70 kHz'e kadar frekansları değiştirmek için hızlı, doğru bilgiler sağlar.
Güç Yenilikleri InnoSwitch3-CP Serisi Değiştirme Anahtarı IC
Şekil 1: InnoSwitch3-CP serisi transfer anahtarı IC'nin birincil ve ikincil kontrolörleri elektriksel olarak yalıtılmıştır ancak geri bildirim, bir akış bağlantısı (kesikli çizgi) aracılığıyla paylaşılabilir. Resim kaynağı: Güç Yenilikleri)
InnoSwitch3-CP serisi entegre devreler, bir soğutucuya ihtiyaç duymadan 50 W'tan 100 W'a kadar gücü yöneterek güç kaynağının toplam hacmini azaltır. Bu bileşenlerin nominal sürekli çalışma gerilimi 650 V'tur ancak 750 V'a kadar dalgalanmalara dayanabilirler.
InnoSwitch3-CP serisi IC kullanan güç kaynakları için izin verilen yük aralığında %94 enerji verimliliği elde edilirken silikon bazlı anahtarlar yaklaşık %90 enerji verimliliğine sahiptir. InnoSwitch3-CP serisi yalnızca enerji açısından verimli olmakla kalmaz, aynı zamanda küresel enerji verimliliği düzenlemelerinin karşılanmasına yardımcı olan son derece düşük güç tüketimine sahiptir (30 mW'tan az).
Güvenliği sağlamak ve bileşen ömrünü uzatmak için InnoSwitch3-CP Serisi IC, birincil ve ikincil taraflar arasında gelişmiş 4000 VAC galvanik izolasyon sağlar, Underwriters Laboratories (UL) 1577 ile uyumludur ve her ünite HIPOT testini geçer. Diğer güvenlik işlevleri arasında senkron doğrultucu alan etkili transistörlerin (SR FET) kapısı açık devresini, giriş hattı düşük voltajını veya aşırı voltajını ve çıkış aşırı voltajını algılama ve bunlara yanıt verme yer alır. IC denetleyici ayrıca aşırı akımı da sınırlar ve aşırı ısınma meydana gelmeden önce kapanır.
InnoSwitch3-EP serisi entegre (Şekil 2), InnoSwitch3-CP serisi entegreye benzer. Bu IC'ler tek bir sabit güç çıkışı için optimize edilmemiştir, ancak birden fazla kanalın çıkış voltajlarını kontrol sinyallerine ortalamak için ağırlıklı ikincil taraf düzenleme (SSR) teknolojisini kullanır.