Integrierte Galliumnitrid-Schaltungen steigern die Effizienz von Stromversorgungen

In der heutigen elektronischen Welt werden Leistungswandler für alles benötigt, von medizinischen Geräten über Ladegeräte für Handys und Laptops bis hin zu Hilfsstromversorgungen. Schrumpfende Gehäusegrößen, Wärmemanagement, variable Eingangsspannungen und intelligente Ladeprotokolle erschweren das Design von Stromversorgungen und Umrichtern, während gleichzeitig die Effizienz immer wichtiger wird.

In den letzten zehn Jahren wurden neue Schaltertechnologien entwickelt, bei denen integrierte Schaltungen (ICs) auf Galliumnitrid-Chips (GaN) eingesetzt werden. GaN-Schaltungen verhalten sich auf atomarer Ebene anders, was für die Entwickler von Leistungswandlern sowohl Herausforderungen als auch Lösungen mit sich bringt.

GaN-Halbleiter haben eine große Bandlücke; mit 3,4 eV ist sie mehr als dreimal so groß wie die von Silizium-Halbleitern. Wie andere Materialien mit breiter Bandlücke können GaN-Halbleiter bei höheren Spannungen, Temperaturen bis zu +400 °C, die den Einsatz in Anwendungen mit höherer Leistung ermöglichen, und höheren Frequenzen, die sie für Hochfrequenz- und 5G-Anwendungen geeignet machen, arbeiten.

In Stromrichteranwendungen optimieren integrierte GaN-Schaltungen transistorbedingte Verluste wie Serienimpedanz (R_DS(ON)) und Parallelkapazität (C_OSS) bei kleineren Abmessungen als Silizium-ICs. Bei gleichem Platzbedarf wie Silizium-ICs können GaN-ICs höhere Frequenzen handhaben und erzeugen dabei weniger Wärme, eine Eigenschaft, die es den Entwicklern ermöglicht, sperrige Kühlkörper zu verkleinern oder zu eliminieren.

GaN-Transistoren lassen sich jedoch nur schwer kontrollieren. Ihre Toleranz gegenüber hohen Frequenzen bedeutet, dass der steuernde Treiber physisch nahe am Transistor sein muss, um die Latenzzeit zu beseitigen und die Schaltgeschwindigkeit des Transistors effektiv zu verlangsamen, um unerwünschte elektromagnetische Störungen (EMI) zu vermeiden. Stromrichterentwickler, die GaN verwenden, meistern diese Herausforderungen, indem sie einen einzigen Baustein verwenden, der Hochspannungs-Leistungsschalter für die Primärseite (Eingang) und Steuer-ICs für die Sekundärseite (Ausgang) sowie eine Rückkopplungsschaltung kombiniert.

Schalteigenschaften

Power Integrations hat mehrere Familien dieser Komponenten unter Verwendung seiner InnoSwitch3-mit-PowiGaN™-Technologie entwickelt. Die Schalt-ICs der Familie InnoSwitch3-CP (Abbildung 1) beispielsweise verwenden quasi-resonante (QR) Sperrregler, um Ausgänge mit konstanter Spannung (CV) und konstantem Strom (CC) für ein Profil mit konstanter Leistung (CP) zu liefern.

Die Primär- und die Sekundärseite des IC sind galvanisch getrennt, aber die Informationen über die Ausgangsspannung und den Ausgangsstrom werden durch induktive Kopplung vom Sekundärregler zum Primärregler übertragen. Diese FluxLink-Kommunikationstechnologie liefert schnell genaue Informationen, die ein schnelles Ansprechen auf Lasttransienten und Schaltfrequenzen bis zu 70 kHz ermöglichen.

Abbildung 1: Die Schalt-ICs der Familie InnoSwitch3-CP verfügen über primäre und sekundäre Regler, die galvanisch getrennt sind, aber eine gemeinsame Rückkopplung über eine elektromagnetische Verbindung (gestrichelte Linie) haben. (Bildquelle: Power Innovations)

Die ICs der Familie InnoSwitch3-CP können 50 W bis 100 W ohne Kühlkörper verarbeiten, wodurch das Gesamtvolumen des Netzteils reduziert wird. Diese Komponenten sind für den Dauerbetrieb bei 650 V ausgelegt, können aber Überspannungen bis zu 750 V standhalten. Die Industriemodelle sind für 900 V oder 1700 V ausgelegt.

Stromversorgungen mit ICs aus der Familie InnoSwitch3-CP weisen einen Wirkungsgrad von 94% über den zulässigen Lastbereich auf, verglichen mit etwa 90% bei siliziumbasierten Schaltern. Dieser hohe Wirkungsgrad und die minimale Leistungsaufnahme (weniger als 30 mW) tragen dazu bei, dass die Familie InnoSwitch3-CP die weltweiten Energieeffizienzvorschriften erfüllt.

Um Sicherheit und eine lange Lebensdauer der Komponenten zu gewährleisten, verfügen die ICs der Familie InnoSwitch3-CP über eine verstärkte galvanische Trennung von 4000 V_AC gemäß Underwriters Laboratories (UL) 1577 zwischen der Primär- und der Sekundärseite, und jede Komponente ist HIPOT-geprüft. Zu den weiteren Sicherheitsmerkmalen gehören die Erkennung und Reaktion auf ein offenes Gate im Synchrongleichrichter-Feldeffekttransistor (SR FET), Unter- oder Überspannung der Eingangsleitung sowie Überspannung am Ausgang. Der IC-Controller kann auch den Überstrom begrenzen und vor Überhitzung abschalten.

Die ICs der Familie InnoSwitch3-EP (Abbildung 2) sind denen der Familie InnoSwitch3-CP ähnlich. Anstatt für einen einzigen Ausgang mit konstanter Leistung optimiert zu sein, verwenden sie eine gewichtete sekundärseitige Regelung (SSR), um die Spannungen mehrerer Ausgänge in ein Steuersignal zu mitteln.

Abbildung 2: Die Schalt-ICs der Familie InnoSwitch3-EP verfügen über einen von der Eingangsspannung abhängigen Bereich der Ausgangsleistung. Schematisch ähneln sie den InnoSwitch3-CP-ICs, haben aber einen optionalen Strommesswiderstand auf der Sekundärseite. (Bildquelle: Power Innovations)

Die ICs der Familie InnoSwitch3-EP verfügen ebenfalls über einen spannungsabhängigen Ausgang. Bei 750 V leisten die InnoSwitch3-EP-ICs 50 W bis 100 W, bei 1250 V bis zu 85 W. Sie sind für den Hochspannungsschaltbetrieb ausgelegt und haben eine Durchbruchspannung von 1700 V.

Auf der Sekundärseite kann bei der Familie InnoSwitch3-EP optional ein stromsensitiver Widerstand verwendet werden. Wenn diese Erkennungsfunktion aktiviert ist, können die Bauteile so konfiguriert werden, dass sie automatisch neu starten, wenn der Laststrom für eine bestimmte Zeitspanne über einem festgelegten Schwellenwert liegt.

InnoSwitch3-CP-ICs werden häufig für Leistungswandler in der Verbraucherelektronik gewählt, z. B. für solche, die nach dem USB-Power-Delivery-Protokoll (PD), dem QuickCharge-Protokoll (QC) oder anderen proprietären Protokollen arbeiten. Mit ihren höheren Spannungsfähigkeiten und ihrer Flexibilität sind die InnoSwitch3-EP-ICs eine gute Wahl für Stromversorgungen in industriellen Umgebungen sowie für Versorgungszähler und intelligente Stromnetze. Sie werden auch in Hilfs-, Bereitschafts- und Vorspannungsstromversorgungen von Geräten eingesetzt.

Programmierbares Power-Good

Ein dynamischeres Management von Eingängen, Ausgängen und Fehlern ist mit den ICs InnoSwitch3-Pro (Abbildung 3) über eine digitale I²C-Schnittstelle (Inter-Integrated Circuit) möglich. Der Benutzer kann auch die Volllast-Schaltfrequenz auf einen benutzerdefinierten Wert zwischen 25 kHz und 95 kHz einstellen, wobei er einen niedrigeren Wert wählen kann, um die Wärmeentwicklung bei großen Transformatoren zu minimieren, oder höhere Frequenzen für kleine Transformatoren.

Abbildung 3: Die Schalt-ICs der Familie InnoSwitch3-Pro sind so konfiguriert, dass sie über eine I²C-Schnittstelle digital gesteuert werden können, die eine Fernüberwachung des Status, die Einstellung von Spannung und Strom sowie eine kundenspezifische Schaltfrequenz ermöglicht. (Bildquelle: Power Innovations)

Die ICs der Familie InnoSwitch3-Pro bieten durch die Einbindung eines Mikrocontrollers in den Regelkreis zusätzliche Schutzoptionen. Die Benutzer können ihre gewünschten Reaktionen auf Über- und Unterspannungsfehler am Ausgang unabhängig voneinander konfigurieren. Sie können auch die Eingangsspannung überwachen und Schutz vor Spannungsabfall und Überspannung gewährleisten. Der Mikrocontroller erkennt auch offene SR-FET-Gates und steuert die hysteretische thermische Abschaltung zum besseren Schutz des ICs.

Das hochgradig konfigurierbare Design der ICs InnoSwitch3-Pro, ihre geringe Wärmeabgabe und ihre hohe Effizienz machen sie ideal für den Einsatz in Ladeadaptern, die Protokolle wie USB PD 3.0, QC, Adaptive Fast Charge (AFC), Fast Charge Protocol (FCP) und Super Charge Protocol (SCP) erfüllen. Entwickler wählen sie auch für Batterieladegeräte und einstellbare LED-Vorschaltgeräte, wenn kompakte Designs mit minimaler Wärmeentwicklung erforderlich sind.

Kompakte Kondensatoren

Schalt-ICs wie die der InnoSwitch3-Serie sind nur ein kleiner Teil der Architektur von Leistungswandlern und -versorgungen. Ein Großkondensator beispielsweise, der als Energiespeicher die Schwankungen des in ein Netzteil einfließenden Wechselstroms ausgleicht, kann 25% des Platzes in diesem Netzteil einnehmen.

Unter Verwendung der PowiGaN-IC-Schalttechnologie hat Power Integrations MinE-CAP entwickelt, einen IC-Schalter und -Controller, der mit zwei kleineren Kondensatoren arbeitet, um die geeignete Kapazität für eine bestimmte Versorgungsspannung bereitzustellen (Abbildung 4). Ein Keramik- oder Elektrolytkondensator, der bis zu 400 V belastbar ist und einen Nennwert von 1 µF bis 5 µF hat, ist immer aktiv. MinE-CAP aktiviert einen zusätzlichen Elektrolytkondensator, der für 160 V ausgelegt ist, aber eine höhere Kapazität hat, wenn eine niedrigere Spannung erkannt wird.

Durch die Aufteilung des Großkondensators in zwei kleinere Hälften wird nicht nur der Platzbedarf um bis zu 40% reduziert, sondern auch ein NTC-Thermistor (negativer Temperaturkoeffizient) für den Einschaltvorgang überflüssig. Die von MinE-CAP gesteuerten Kondensatoren sind stattdessen so dimensioniert, dass sie den Einschaltstrom beim Einschalten der Stromversorgung verarbeiten können.

Abbildung 4: MinE-CAP ist ein GaN-basierter IC-Controller, der es ermöglicht, den Großkondensator eines Netzteils in zwei kleinere Einheiten aufzuteilen, wodurch das benötigte Volumen um bis zu 40% reduziert wird. MinE-CAP ist für den Einsatz mit InnoSwitch3-DC/DC-Wandlerprodukten konzipiert. (Bildquelle: Power Innovations)

Fazit

Schalt-ICs, die Transistoren, Steuer-ICs und Rückkopplungsschaltungen mit GaN-Halbleitern kombinieren, profitieren von der Widerstandsfähigkeit des Materials gegenüber hohen Temperaturen, Spannungen und Frequenzen. Diese ICs ermöglichen kleinere Leiterplatten, das Eliminieren von Kühlkörpern und die kreative Platzierung von Kondensatoren, so dass Multifunktionsnetzteile in kompaktere Gehäuse passen. GaN-Produkte wie der InnoSwitch3 von Power Integration mit PowiGaN-Leitungen werden für Entwickler, die eine höhere Leistungsdichte und weitere Miniaturisierung anstreben, wahrscheinlich weiterhin interessant sein.