I circuiti integrati al nitruro di gallio aumentano l'efficienza degli alimentatori

Nell'odierno mondo dell'elettronica, i convertitori di potenza sono imprescindibili, che si tratti di dispositivi medici o caricabatterie per cellulari e laptop e persino di alimentatori ausiliari. Le dimensioni compatte dei contenitori, la gestione termica, le tensioni di ingresso variabili e i protocolli di ricarica intelligente complicano la progettazione di alimentatori e convertitori, mentre cresce l'attenzione per l'efficienza.

Nell'ultimo decennio sono emerse nuove tecnologie di commutazione che utilizzano circuiti integrati (CI) su chip al nitruro di gallio (GaN). I circuiti GaN si comportano in modo diverso a livello atomico e presentano sfide e soluzioni per i progettisti di convertitori di potenza.

I semiconduttori GaN hanno un ampio bandgap e si attestano a 3,4 eV, oltre tre volte quello dei semiconduttori al silicio. Come altri materiali ad ampio bandgap, i semiconduttori GaN possono funzionare a tensioni più elevate e temperature fino a +400 °C che ne consentono l'uso in applicazioni di maggiore potenza e a frequenze più elevate e ciò li rende utili in applicazioni a radiofrequenza (RF) e 5G.

Nelle applicazioni con convertitori di potenza, i CI GaN ottimizzano le perdite legate ai transistor, come l'impedenza serie (R_DS(ON)) e la capacità parallela (C_OSS), con dimensioni fisiche inferiori rispetto ai CI al silicio. A parità di ingombro di un CI al silicio, i CI GaN possono gestire frequenze più elevate generando meno calore, una proprietà che può consentire ai progettisti di ridurre o eliminare gli ingombranti dissipatori di calore.

Tuttavia, i transistor GaN possono essere difficili da controllare. La loro tolleranza alle alte frequenze significa che il driver di controllo deve essere fisicamente vicino al transistor per eliminare la latenza e rallentare efficacemente la velocità di commutazione del transistor, evitando le interferenze elettromagnetiche (EMI) indesiderate. I progettisti di convertitori di potenza che utilizzano il GaN superano queste sfide utilizzando un singolo dispositivo che combina interruttori di alimentazione ad alta tensione per il lato primario (ingresso) e CI di controllo per il lato secondario (uscita), insieme a circuiteria di retroazione.

Specifiche di commutazione

Power Integrations ha creato diverse famiglie di questi contenitori utilizzando la tecnologia InnoSwitch3 con PowiGaN™. Ad esempio, la famiglia di CI di commutazione InnoSwitch3-CP (Figura 1) utilizza controller flyback quasi risonanti (QR) per fornire uscite a tensione costante (CV)/corrente costante (CC) per un profilo di potenza costante (CP).

I lati primario e secondario del CI hanno isolamento galvanico, ma le informazioni sulla tensione e sulla corrente di uscita vengono trasmesse dal controller secondario al primario tramite l'accoppiamento induttivo. Questa tecnologia di comunicazione FluxLink fornisce informazioni precise in modo veloce, per consentire risposte rapide ai transitori di carico e frequenze di commutazione fino a 70 kHz.

Figura 1: La famiglia di CI di commutazione InnoSwitch3-CP dispone di controller primari e secondari con isolamento galvanico, ma che condividono la retroazione tramite un collegamento magnetico (linea tratteggiata). (Immagine per gentile concessione di Power Innovations)

I CI della famiglia InnoSwitch3-CP possono gestire da 50 a 100 W senza dissipatori di calore, riducendo il volume complessivo dell'alimentatore. Questi componenti sono classificati per il funzionamento continuo a 650 V, ma sono in grado di resistere a sovracorrenti transitorie fino a 750 V. I modelli industriali sono progettati per resistere fino a 900 V o 1.700 V.

Gli alimentatori che utilizzano i CI della famiglia InnoSwitch3-CP dimostrano un'efficienza del 94% nell'intero intervallo di carico consentito, rispetto al 90% circa degli switch basati sul silicio. Questa elevata efficienza, insieme al minimo assorbimento di potenza (meno di 30 mW), aiuta la famiglia InnoSwitch3-CP a soddisfare le normative globali in materia di efficienza energetica.

Per garantire la sicurezza e la durata dei componenti, la famiglia di CI InnoSwitch3-CP è dotata di isolamento galvanico rinforzato di 4.000 V_c.a. secondo Underwriters Laboratories (UL) 1577 tra il lato primario e quello secondario e ogni unità è sottoposta al test di alto potenziale (HIPOT). Altre funzioni di sicurezza includono il rilevamento e la risposta a una porta aperta nel transistor a effetto campo del raddrizzatore sincrono (SR FET), a una sottotensione o a una sovratensione della linea di ingresso e a una sovratensione di uscita. Il controller in CI può anche limitare la sovracorrente e spegnersi prima di surriscaldarsi.

I CI della famiglia InnoSwitch3-EP (Figura 2) sono simili a quelli della famiglia InnoSwitch3-CP. Anziché essere ottimizzati per una singola uscita a potenza costante, utilizzano una regolazione ponderata sul lato secondario (SSR) per calcolare la media delle tensioni di più uscite in un segnale di controllo.

Figura 2: La famiglia di CI InnoSwitch3-EP ha un intervallo della potenza di uscita dipendente dalla tensione di ingresso. Schematicamente simili ai CI InnoSwitch3-CP, sono dotati di un resistore opzionale di rilevamento della corrente sul lato secondario. (Immagine per gentile concessione di Power Innovations)

La famiglia di CI InnoSwitch3-EP presenta anche un'uscita dipendente dalla tensione. A 750 V, i CI InnoSwitch3-EP producono da 50 a 100 W; a 1.250 V, fino a 85 W. Progettati per il funzionamento con interruttori per alte tensioni, hanno una tensione di rottura di 1.700 V.

Sul lato secondario della famiglia InnoSwitch3-EP, è opzionalmente presente un resistore di rilevamento della corrente. Quando la capacità di rilevamento è abilitata, le unità possono essere configurate per riavviarsi automaticamente se la corrente di carico risulta superiore a una soglia impostata per un periodo di tempo predeterminato.

I CI InnoSwitch3-CP sono spesso scelti per i convertitori di potenza di tipo consumer, come quelli realizzati per il protocollo USB Power Delivery (PD), il protocollo QuickCharge (QC) o altri protocolli proprietari. Grazie a capacità di tensione più elevate e alla flessibilità, i CI InnoSwitch3-EP sono una buona scelta per gli alimentatori di tipo industriale, per i contatori e le smart grid. Sono anche utilizzati in alimentatori ausiliari, di standby e di polarizzazione degli elettrodomestici.

Alimentazione programmabile

La gestione di ingressi, uscite e guasti è più dinamica con i CI InnoSwitch3-Pro (Figura 3), grazie a un'interfaccia digitale I²C. Gli utenti possono anche impostare la frequenza di commutazione a pieno carico su un valore personalizzato compreso tra 25 kHz e 95 kHz, scegliendo un valore più basso per ridurre al minimo l'accumulo di calore nei trasformatori di grandi dimensioni o frequenze più elevate per i trasformatori di piccole dimensioni.

Figura 3: La famiglia di CI InnoSwitch3-Pro è configurata per il controllo digitale tramite un'interfaccia I²C che consente il monitoraggio remoto dello stato, la regolazione della tensione e della corrente e una frequenza di commutazione personalizzata. (Immagine per gentile concessione di Power Innovations)

La presenza di un microcontroller nel loop offre ai CI della famiglia InnoSwitch3-Pro ulteriori opzioni di protezione. Gli utenti possono configurare in modo indipendente le risposte desiderate ai guasti per sovratensione e sottotensione in uscita e monitorare la tensione di ingresso per garantire la protezione da situazioni di interruzione temporanea dell'energia elettrica e di sovratensione. Il microcontroller rileva anche le porte aperte dei FET SR e gestisce l'arresto termico isteretico per proteggere meglio il CI.

La progettazione estremamente configurabile dei CI InnoSwitch3-Pro, la bassa dissipazione di calore e l'elevata efficienza li rendono ideali per l'uso in adattatori di ricarica che soddisfano protocolli come USB PD 3.0, QC, Adaptive Fast Charge (AFC), Fast Charge Protocol (FCP) e Super Charge Protocol (SCP). I progettisti li scelgono anche per i caricabatterie e i ballast LED regolabili, dove sono richiesti progetti compatti con un accumulo di calore minimo.

Condensatori compatti

I CI di commutazione come quelli della linea InnoSwitch3 sono solo una piccola parte dell'architettura dei convertitori di potenza e degli alimentatori. Ad esempio, un condensatore a effetto di massa, un componente di immagazzinaggio dell'energia che attenua le fluttuazioni della c.a. in entrata in un alimentatore, può occupare il 25% dello spazio nell'alimentatore.

Utilizzando la tecnologia di commutazione CI PowiGaN, Power Integrations ha sviluppato MinE-CAP, uno switch e controller in CI che funziona con due condensatori più piccoli per fornire la capacità elettrica appropriata per una data tensione di alimentazione (Figura 4). Un condensatore ceramico o elettrolitico in grado di gestire fino a 400 V e da 1 µF a 5 µF è sempre attivo. MinE-CAP attiva un condensatore elettrolitico aggiuntivo da 160 V ma con una capacità maggiore quando rileva una tensione inferiore.

Oltre a ridurre lo spazio necessario fino al 40% dividendo il condensatore a effetto di massa in due metà più piccole, MinE-CAP elimina anche la necessità di un termistore per corrente di inserzione a coefficiente termico negativo (NTC). I condensatori controllati da MinE-CAP sono invece dimensionati per gestire la corrente di inserzione all'accensione.

Figura 4: MinE-CAP è un controller in CI basato sul GaN che divide il condensatore a effetto di massa di un alimentatore in due unità più piccole, riducendo il volume necessario fino al 40%. MinE-CAP è progettato per funzionare con i prodotti di conversione c.c./c.c. InnoSwitch3. (Immagine per gentile concessione di Power Innovations)

Conclusione

I CI di commutazione che combinano transistor, CI di controllo e circuiteria di retroazione utilizzando semiconduttori GaN sfruttano la resistenza del materiale a temperature, tensioni e frequenze elevate. Questi CI consentono di ridurre le dimensioni delle schede a circuiti stampati, di eliminare i dissipatori di calore e di posizionare in modo creativo i condensatori, per inserire alimentatori multifunzione in contenitori più compatti. I prodotti GaN come InnoSwitch3 di Power Integrations con linee PowiGaN continueranno probabilmente a trovare il favore dei progettisti alla ricerca di una maggiore densità di potenza e di un'ulteriore miniaturizzazione.