Come usare interruttori GaN integrati per alimentatori offline ad alta efficienza e convenienti

Di Jeff Shepard

Contributo di Editori nordamericani di Digi-Key

La gamma di applicazioni per gli alimentatori compatti da 100 W continua ad aumentare, da caricatori e adattatori c.a./c.c., caricatori USB Power Delivery (PD) e adattatori di carica rapida (QC), all'illuminazione a LED, elettrodomestici, comandi motore, contatori intelligenti e sistemi industriali. Per i progettisti di questi alimentatori flyback offline, il problema è garantire robustezza e affidabilità, continuando allo stesso tempo ad abbassare i costi, migliorare l'efficienza e ridurre il fattore di forma per una maggiore densità di potenza.

Per affrontare molti di questi problemi, i progettisti possono sostituire gli interruttori di alimentazione in silicio (Si) con dispositivi basati su tecnologie ad ampio bandgap (WBG) come il nitruro di gallio (GaN). Ciò si traduce direttamente in una migliore efficienza dell'alimentazione e in una minore necessità di dissipare il calore, consentendo una maggiore densità di potenza. Tuttavia, rispetto a quelli in Si, gli interruttori GaN sono più difficili da pilotare.

I progettisti possono superare i problemi associati alle alte velocità di commutazione, come l'induttanza e la capacità parassita e le oscillazioni ad alta frequenza, ma ciò richiede tempo e costi di sviluppo aggiuntivi. Invece, i progettisti possono rivolgersi ai CI di commutazione flyback offline altamente integrati con dispositivi di potenza GaN interni.

Questo articolo discute brevemente i vantaggi del GaN e le sue sfide di progettazione. Presenta quindi tre piattaforme integrate di CI di commutazione flyback con interruttori di alimentazione GaN interni di Power Integrations e mostra come utilizzarli per creare progetti di convertitori di potenza ad alta efficienza. Sono discussi la miniaturizzazione del condensatore a effetto di massa MinE-CAP complementare e i CI di gestione della corrente di inserzione e un utile ambiente di progettazione online.

Che cos'è il GaN e perché è valido?

GaN è un materiale semiconduttore WBG che rispetto al Si ha una bassa resistenza nello stato On, un'alta resistenza al cedimento, alta velocità di commutazione e alta conducibilità termica. L'utilizzo del GaN al posto del Si permette di produrre interruttori con perdite di commutazione molto più basse durante l'accensione e lo spegnimento. Inoltre, i dispositivi GaN con resistenza equivalente sono molto più piccoli delle loro controparti in Si. Di conseguenza, per una data dimensione del die, un interruttore di alimentazione GaN ha perdite di conduzione e di commutazione combinate inferiori (Figura 1).

Grafico dei dispositivi GaN con una resistenza inferioreFigura 1: Per una data dimensione del die, i dispositivi GaN hanno una resistenza inferiore, che porta a perdite totali inferiori, rispetto ai MOSFET in Si. (Immagine per gentile concessione di Power Integrations)

Mentre il GaN ha chiari vantaggi, può essere difficile da progettare. Ad esempio, a causa delle velocità di commutazione estremamente alte dei dispositivi GaN, i layout dei circuiti di azionamento possono essere molto sensibili alle induttanze e capacità parassite dalla scheda CS e dai contenitori GaN discreti. I rapidi swing di tensione (dV/dt) e le oscillazioni ad alta frequenza che possono verificarsi quando si pilotano i dispositivi GaN creano più interferenze elettromagnetiche (EMI) che devono essere filtrate per non ridurre l'efficienza del convertitore. Inoltre, la rapida commutazione dei dispositivi GaN rende difficile proteggerli dalle condizioni di guasto, che possono danneggiare i dispositivi più velocemente di quanto i circuiti di protezione possano reagire.

Semplicità senza sacrificare le prestazioni

Power Integrations ha affrontato queste complessità con i suoi CI di commutazione PowiGaN quasi-risonanti InnoSwitch3-CP, InnoSwitch3-EP e InnoSwitch3-Pro (Figura 2). PowiGaN è la tecnologia degli interruttori di alimentazione GaN sviluppata internamente da Power Integrations che sostituisce i tradizionali transistor al silicio sul lato primario dei CI di commutazione flyback offline InnoSwitch3. Invece, integra i circuiti primari, secondari e di retroazione in un singolo contenitore SMD (a montaggio superficiale) InSOP-24D. In questo modo, i dispositivi riducono la complessità del layout del driver e la generazione di EMI, riducendo anche la conduzione e le perdite di commutazione, per adattatori e caricatori più efficienti, leggeri e piccoli e alimentatori a telaio aperto.

Questo approccio permette ai progettisti di alimentatori di concentrarsi sulla distribuzione dell'energia elettrica, sulle prestazioni termiche, sui fattori di forma e su altre considerazioni applicative senza essere distratti dalla difficile tecnologia GaN.

Immagine dei CI di commutazione flyback offline con interruttori GaN InnoSwitch3 di Power IntegrationsFigura 2: I CI di commutazione flyback offline con interruttori GaN InnoSwitch3 sono forniti in un contenitore InSOP-24D salvaspazio. (Immagine per gentile concessione di Power Integrations)

Le tre famiglie InnoSwitch3 con tecnologia PowiGaN sono ottimizzate per classi specifiche di applicazioni:

  • InnoSwitch3-CP è per applicazioni come la ricarica di batterie che possono beneficiare di un profilo di potenza costante.
  • InnoSwitch3-EP è destinata agli alimentatori c.a./c.c. a telaio aperto in molte applicazioni consumer e industriali.
  • I dispositivi InnoSwitch3-Pro includono un'interfaccia digitale I²C per il controllo software dei setpoint di tensione costante (CV) e corrente costante (CC), opzioni di modalità di sicurezza e gestione delle eccezioni.

I CI InnoSwitch3 presentano un controllo quasi risonante, un'efficienza fino al 95% su tutta la gamma di carico, supportano uscite CV, CC e a potenza costante (CP) accurate per soddisfare molteplici esigenze applicative e includono la tecnologia di rilevamento della corrente senza perdite. Quest'ultimo aspetto elimina la necessità di resistori di rilevamento corrente esterni che riducono l'efficienza e che possono anche superare la resistenza di molti interruttori GaN nei progetti discreti.

Altre caratteristiche chiave degli interruttori includono il rilevamento sul lato secondario, un driver dedicato per un MOSFET di raddrizzamento sincrono, connessione integrata di retroazione di accoppiamento induttivo FluxLink tra il lato primario e i controller del lato secondario con isolamento >4.000 V di corrente alternata (V c.a.), la conformità ai requisiti globali di efficienza energetica, basse EMI, conformità normativa sicurezza e (UL1577 e TUV (EN60950 e EN62368) approvati per la sicurezza) e risposta istantanea ai transitori per passi di carico del 100%.

CI di commutazione flyback offline CV/CC QR a controllo digitale

I progettisti di caricabatterie multichimica e multi-protocollo, ballast LED CV e CC regolabili, alimentatori programmabili (PPS) USB PD 3.0+ ad alta efficienza, adattatori QC e applicazioni simili possono beneficiare dell'uso dei CI InnoSwitch3-Pro completamente programmabili, compresi INN3378C, INN3379C e INN3370C ideali per adattatori c.a./c.c. che forniscono fino a 90 W e alimentatori c.a./c.c. a telaio aperto fino a 100 W (Tabella 1). Questi dispositivi sono utili anche quando è necessario un controllo preciso della regolazione della corrente e della tensione di uscita (sono supportati passi da 10 mV e 50 mA).

Tabella dei CI InnoSwitch3-ProTabella 1: I CI InnoSwitch3-Pro sono classificati per il funzionamento con ingresso di 230 V c.a. ±15% e da 85 a 265 V c.a. (Tabella per gentile concessione di Power Integrations)

L'interfaccia I²C nei dispositivi InnoSwitch3-Pro semplifica lo sviluppo e la produzione di alimentatori completamente programmabili (Figura 4). Permette il controllo dinamico della corrente e della tensione di uscita e può essere usato per configurare l'alimentazione, i setpoint CV, CC e CP di controllo, le impostazioni di protezione come le soglie di sovratensione e sottotensione e gestire la segnalazione dei guasti. L'alimentazione integrata a 3,6 V può essere usata per alimentare un microcontroller esterno (MCU). Inoltre, il consumo energetico a vuoto di <30 mW (compresa la linea di rilevamento e MCU) soddisfa tutti i requisiti globali di efficienza energetica.

Schema dei CI InnoSwitch3-Pro di Power Integrations con un'interfaccia I²CFigura 3: I CI InnoSwitch3-Pro includono un'interfaccia I²C per il controllo e il monitoraggio digitale completo e alimentazione integrata a 3,6 V (uVCC) per alimentare un MCU esterno. (Immagine per gentile concessione di Power Integrations)

Soluzioni configurabili tramite hardware

Per le applicazioni che non richiedono programmabilità o monitoraggio digitale, Power Integrations offre le famiglie InnoSwitch3-CP (Figura 5) e -EP di soluzioni configurabili tramite hardware. Come InnoSwitch3-Pro, i dispositivi InnoSwitch3-CP e InnoSwitch-EP includono controller primari e secondari e un isolamento rinforzato di >4000 V c.a. in un singolo CI. Le caratteristiche di protezione includono la limitazione di sovratensione e sovracorrente dell'uscita, la protezione da sovratensione e sottotensione della linea c.a. e l'arresto per sovratemperatura. I dispositivi sono caratterizzati da un'elevata immunità al rumore, per progetti che soddisfano i livelli di prestazioni EN61000-4 di classe "A".

Schema di una tipica applicazione InnoSwitch3-CP di Power Integrations con la connessione di retroazione di accoppiamento induttivo FluxLinkFigura 4: InnoSwitch3-CP in una tipica applicazione con la connessione di retroazione di accoppiamento induttivo FluxLink (linea tratteggiata) tra i controller del lato primario e secondario. (Immagine per gentile concessione di Power Integrations)

I progettisti di convertitori flyback ad alta efficienza fino a 100 W, per applicazioni come USB PD, adattatori QC e simili, possono beneficiare dell'uso di dispositivi InnoSwitch3-CP come INN3278C, INN3279C e INN3270C (Tabella 2). Questi CI di commutazione QR hanno modalità CV e CC con profili di potenza costante e supportano combinazioni standard di bloccaggio e riavvio automatico. La compensazione di caduta del cavo è una caratteristica opzionale.

Tabella delle potenze nominali della famiglia InnoSwitch3-CP per gli adattatori e i progetti a telaio apertoTabella 2: Potenze nominali della famiglia InnoSwitch3-CP per adattatori e progetti a telaio aperto (Tabella per gentile concessione di Power Integrations)

Per applicazioni come contatori, alimentatori industriali e smart grid, alimentazione di standby e di polarizzazione per elettrodomestici, prodotti consumer e computer che non utilizzano la potenza costante, i progettisti possono scegliere tra i dispositivi InnoSwitch3-EP come INN3678C, INN3679C e INN3670C (Tabella 3).

Tabella dei CI InnoSwitch3-EP classificati per la piena potenza a 230 V c.a. ±15%Tabella 3: I CI InnoSwitch3-EP sono classificati per la piena potenza a 230 V c.a. ±15% e potenza ridotta con un ampio intervallo di ingresso da 85 a 265 V c.a. (Tabella per gentile concessione di Power Integrations)

I dispositivi InnoSwitch3-EP supportano una buona regolazione incrociata multi-uscita. Il senso di corrente di uscita è regolabile con un resistore esterno, mentre le prestazioni CV/CC sono molto accurate e indipendenti da qualsiasi componente esterno. Questi CI di commutazione flyback QR sono disponibili con protezione opzionale da sottotensione di uscita a riavvio automatico e possono essere ordinati con opzioni di erogazione di potenza standard o di picco.

Miniaturizzazione dei condensatori di massa e gestione della corrente di inserzione

Per ridurre ulteriormente il numero di componenti e migliorare le prestazioni degli alimentatori c.a./c.c., i progettisti che utilizzano un CI PowiGaN InnoSwitch3 possono anche sfruttare la miniaturizzazione del condensatore a effetto di massa MinE-CAP complementare e il CI di gestione della corrente di inserzione per progetti a densità di potenza molto elevata (Figura 8). MinE-CAP può ridurre il volume dei condensatori a effetto di massa in ingresso fino al 50% ed elimina la necessità di un termistore a coefficiente di temperatura negativo (NTC) per limitare la corrente di inserzione. L'uso di MinE-CAP riduce anche le sollecitazioni sul raddrizzatore a ponte di ingresso e sul fusibile, conseguentemente migliorando l'affidabilità dell'alimentazione.

Schema del condensatore a effetto di massa in CI MinE-CAP di Power Integrations (fare clic per ingrandire)Figura 5: La miniaturizzazione del condensatore a effetto di massa MinE-CAP e del CI per la gestione della corrente di inserzione sono un complemento naturale ai CI di commutazione flyback offline InnoSwitch3 negli alimentatori c.a./c.c. ad alta densità (Immagine per gentile concessione di Power Integrations)

Come i CI InnoSwitch3, MinE-CAP sfrutta le piccole dimensioni e la bassa resistenza nello stato On dei dispositivi PowiGaN per fornire prestazioni migliori. MinE-CAP collega e scollega automaticamente i segmenti della rete di condensatori a effetto di massa a seconda delle condizioni di tensione della linea in c.a. Questo permette ai progettisti di utilizzare un condensatore a effetto di massa più piccolo (CHV nella Figura 8) per il funzionamento ad alta tensione di linea in c.a. mentre sposta la maggior parte dell'immagazzinaggio dell'energia su condensatori a tensione inferiore (CLV) per l'uso in condizioni di linea basse. Poiché i condensatori a bassa tensione sono significativamente più piccoli di quelli ad alta tensione, l'uso di MinE-CAP riduce le dimensioni complessive dei condensatori di ingresso di massa senza ridurre l'efficienza, senza aumentare il ripple di uscita e senza richiedere la riprogettazione del trasformatore di potenza.

L'uso di MinE-CAP riduce le dimensioni degli alimentatori tanto efficacemente quanto l'aumento della frequenza di commutazione per ridurre le dimensioni del trasformatore. Le soluzioni MinE-CAP usano un numero minore di componenti ed eliminano le sfide di progettazione ad alta frequenza come l'aumento della dissipazione del trasformatore/clamp e l'EMI più elevata.

Strumenti di progettazione online

Power Integrations offre anche PI Expert per accelerare la progettazione di alimentatori c.a./c.c. flyback offline utilizzando la linea InnoSwitch3 di CI di commutazione flyback offline PowiGaN. Creato sulla base di un'interfaccia grafica utente automatizzata (GUI), PI Expert utilizza le specifiche dell'alimentazione per generare automaticamente una soluzione di conversione di potenza. Fornisce ai progettisti tutti i dettagli necessari per costruire e testare un prototipo di convertitore di potenza. Utilizzando PI Expert, i progettisti possono realizzare un progetto completo in pochi minuti.

Progettare con circuiti integrati InnoSwitch3 basati su PowiGaN equivale a usare dispositivi InnoSwitch3 basati su Si. PI Expert funziona allo stesso modo quando si ottimizza la frequenza di commutazione, il filtraggio EMI, il design del trasformatore, la polarizzazione e il raddrizzamento sincrono per i dispositivi PowiGaN e Si. Lo strumento implementa automaticamente qualsiasi modifica necessaria per accettare la maggiore potenza dei progetti basati su PowiGaN. Lo strumento produce uno schema circuitale interattivo, una distinta base completa, parametri elettrici dettagliati e consigli per il layout della scheda. I risultati includono anche un progetto magnetico completo con le dimensioni del nucleo, lo spessore dei fili, il numero di fili paralleli, il numero di spire in ogni avvolgimento e le istruzioni di avvolgimento per il montaggio meccanico.

Conclusione

I progettisti hanno bisogno di aumentare la densità di potenza, abbassare i costi e comprimere i tempi di sviluppo degli alimentatori offline da 100 W per applicazioni che vanno da caricatori e adattatori c.a./c.c. a sistemi industriali. L'uso della tecnologia GaN WGB può aiutare, ma la progettazione con GaN richiede molta attenzione al layout della scheda e ad altri problemi associati alla commutazione ad alta velocità.

Come mostrato, un approccio più integrato basato sui CI di commutazione flyback QR InnoSwitch3 permette ai progettisti di sviluppare convertitori di potenza eleganti e ad alta efficienza con i vantaggi prestazionali degli interruttori GaN, riducendo al contempo i rischi solitamente associati all'adozione di una nuova tecnologia.

Utilizzando InnoSwitch3, combinato con la gestione della corrente di inserzione MinE-CAP di Power Integrations e il CI di miniaturizzazione dei condensatori a effetto di massa, nonché lo strumento di progettazione online PI Expert dell'azienda, i progettisti possono implementare più rapidamente alimentatori compatti, robusti ed economici con un basso numero di componenti che soddisfano gli standard di efficienza globali.

Letture consigliate

  1. Creare un interruttore c.a./c.c. è facile con PI Expert

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Informazioni su questo autore

Jeff Shepard

Da oltre 30 anni, Jeff scrive articoli sull'elettronica di potenza, sui componenti elettronici e altri argomenti tecnologici. Ha iniziato a parlare di elettronica di potenza come Senior Editor presso EETimes. Successivamente ha fondato Powertechniques, una rivista di progettazione per l'elettronica di potenza e poco dopo ha fondato Darnell Group, una società globale di ricerca e pubblicazione di elettronica di potenza. Tra le sue attività, Darnell Group ha pubblicato PowerPulse.net, che forniva notizie quotidiane per la community globale degli ingegneri dediti all'elettronica di potenza. È autore di un libro di testo sugli alimentatori a commutazione, intitolato "Power Supply", pubblicato dalla divisione Reston di Prentice Hall.

Jeff è anche stato co-fondatore di Jeta Power Systems, un produttore di alimentatori a commutazione ad alta potenza, acquisita poi da Computer Products. Jeff è anche un inventore: ha a suo nome 17 brevetti statunitensi nel campo della raccolta dell'energia termica e dei metamateriali ottici ed è un relatore frequente sulle tendenze globali dell'elettronica di potenza. Ha conseguito un master in metodi quantitativi e matematica presso l'Università della California.

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