در دنیای الکترونیک امروز، مبدل های برق از دستگاه های پزشکی، شارژرهای تلفن همراه و لپ تاپ تا منابع تغذیه کمکی مورد نیاز هستند. کوچک شدن اندازه پکیج، مدیریت حرارت، ولتاژهای ورودی متغیر و پروتکلهای شارژ هوشمند، همگی طراحیهای برق و مبدل را پیچیده میکنند و نیاز به راندمان انرژی بالاتری دارند.
در دهه گذشته، فناوریهای سوئیچینگ جدید با استفاده از مدارهای مجتمع روی تراشه (IC) نیترید گالیوم (GaN) ظهور کردهاند. مدارهای نیترید گالیم در ویژگی های سطح اتمی متفاوت هستند، بنابراین طراحان مبدل قدرت با چالش ها و راه حل ها روبرو هستند.
نیمه هادی GaN دارای فاصله باند بسیار گسترده است. در 3.4 eV، فاصله باند بیش از سه برابر نیمه هادی سیلیکونی است. مانند سایر مواد باند پهن، نیمه هادی های GaN می توانند در ولتاژها و دماهای بالاتر تا +400 درجه سانتیگراد کار کنند، که آنها را برای کاربردهای توان بالاتر، در فرکانس های بالاتر و در کاربردهای فرکانس رادیویی (RF) و 5G مناسب می کند.
در کاربردهای مبدل قدرت، GaN IC تلفات مربوط به ترانزیستور مانند امپدانس سری (RDS (ON) و ظرفیت موازی (COSS) را در ابعاد کلی کوچکتر از آی سی سیلیکونی بهینه میکند. در همان ردپایی که IC سیلیکونی دارد، IC GaN میتواند نه تنها فرکانسهای بالاتر را تحمل کند، بلکه به طراحان اجازه میدهد تا تشعشعات گرمای کمتری را نیز از بین ببرند.
با این حال، کنترل ترانزیستورهای GaN می تواند دست و پا گیر باشد. توانایی این نوع ترانزیستور در تحمل فرکانس های بالا به این معنی است که درایور کنترل باید از نظر فیزیکی به این ترانزیستور نزدیک باشد تا تاخیرها از بین برود و سرعت سوئیچینگ این ترانزیستور به طور موثر کاهش یابد تا از تداخل الکترومغناطیسی غیر ضروری (EMI) جلوگیری شود. طراحان مبدل برق با استفاده از GaN با استفاده از یک دستگاه واحد که یک سوئیچ برق ولتاژ بالا را برای سمت اصلی (ورودی) با یک آی سی کنترل برای سمت ثانویه (خروجی) و یک مدار بازخورد ترکیب می کند، این چالش ها را برطرف می کنند.
مشخصات دقیق عملکرد سوئیچ
Power Integrations از PopwiGaN™ Technical InnoSwitch3 استفاده می کند که چندین سری از این دستگاه های بسته بندی را توسعه داده است. به عنوان مثال، آی سی سوئیچ انتقال سری InnoSwitch3-CP (شکل 1) از یک کنترلر ضد تحریک شبه تشدید (QR) برای ارائه خروجی ولتاژ ثابت (CV)/جریان ثابت (CC) برای دستیابی به منحنی توان ثابت (CP) استفاده می کند.
دو طرف اولیه و ثانویه این آی سی ایزوله الکتریکی هستند، اما اطلاعات ولتاژ و جریان خروجی از طریق کوپلینگ القایی از کنترل کننده ثانویه به کنترل کننده اولیه منتقل می شود. فناوری ارتباطی FluxLink اطلاعات سریع و دقیقی را برای پاسخ گذرا بار سریع و فرکانس سوئیچینگ تا 70 کیلوهرتز فراهم می کند.
نوآوری های قدرت آی سی سوئیچ تعویض سری InnoSwitch3-CP
شکل 1: کنترل کننده های اولیه و ثانویه آی سی سوئیچ انتقال سری InnoSwitch3-CP از نظر الکتریکی ایزوله هستند، اما بازخورد را می توان از طریق یک پیوند شار (خط چین) به اشتراک گذاشت. منبع تصویر: Power Innovations)
مدارهای مجتمع سری InnoSwitch3-CP توان 50 وات تا 100 وات را بدون نیاز به هیت سینک کنترل می کنند و حجم کل منبع تغذیه را کاهش می دهند. این قطعات دارای ولتاژ نامی عملکرد پیوسته 650 ولت هستند اما می توانند تا 750 ولت نوسانات را تحمل کنند.
برای منابع تغذیه با استفاده از آی سی سری InnoSwitch3-CP، 94 درصد راندمان انرژی در محدوده بار مجاز به دست می آید، در حالی که سوئیچ های مبتنی بر سیلیکون تقریباً 90 درصد مصرف انرژی دارند. سری InnoSwitch3-CP نه تنها در مصرف انرژی کارآمد است، بلکه مصرف برق بسیار پایینی دارد (کمتر از 30 مگاوات)، که به رعایت مقررات جهانی بهره وری انرژی کمک می کند.
برای اطمینان از ایمنی و افزایش عمر قطعه، IC سری InnoSwitch3-CP عایق گالوانیکی 4000 VAC را بین دو طرف اولیه و ثانویه فراهم میکند، مطابق با Underwriters Laboratories (UL) 1577 است و هر واحد آزمایش HIPOT را پشت سر میگذارد. سایر عملکردهای ایمنی شامل تشخیص و پاسخ به مدار باز گیت ترانزیستورهای اثر میدان یکسو کننده سنکرون (SR FET)، ولتاژ یا اضافه ولتاژ خط ورودی و اضافه ولتاژ خروجی است. کنترل کننده آی سی نیز جریان اضافه را محدود می کند و قبل از گرم شدن بیش از حد خاموش می شود.
آی سی سری InnoSwitch3-EP (شکل 2) مشابه آی سی سری InnoSwitch3-CP است. این آی سی ها برای یک خروجی توان ثابت بهینه سازی نشده اند، اما از فناوری تنظیم جانبی وزنی (SSR) برای میانگین ولتاژ خروجی چندین کانال به سیگنال های کنترل استفاده می کنند.