Nel mondo elettronico di oggi, sono necessari convertitori di potenza dai dispositivi medici, dai caricabatterie per telefoni cellulari e laptop agli alimentatori ausiliari. Le dimensioni ridotte dei contenitori, la gestione del calore, le tensioni di ingresso variabili e i protocolli di ricarica intelligenti complicano la progettazione di alimentatori e convertitori e richiedono una maggiore efficienza energetica.
Nell'ultimo decennio sono emerse nuove tecnologie di commutazione che utilizzano circuiti integrati (IC) su chip al nitruro di gallio (GaN). I circuiti al nitruro di gallio differiscono nelle caratteristiche a livello atomico, quindi i progettisti di convertitori di potenza devono affrontare sia sfide che soluzioni.
Il semiconduttore GaN ha un bandgap molto ampio; A 3,4 eV, il gap di banda è più di tre volte quello di un semiconduttore in silicio. Come altri materiali ad ampio gap di banda, i semiconduttori GaN possono funzionare a tensioni e temperature più elevate fino a +400 °C, rendendoli adatti per applicazioni ad alta potenza, a frequenze più elevate e in applicazioni a radiofrequenza (RF) e 5G.
Nelle applicazioni dei convertitori di potenza, il circuito integrato GaN ottimizza le perdite legate ai transistor come l'impedenza in serie (RDS (ON) e la capacità parallela (COSS) in una dimensione complessiva inferiore rispetto al circuito integrato in silicio. Con lo stesso ingombro del circuito integrato in silicio, il circuito integrato GaN può gestire non solo frequenze più elevate ma anche meno calore. Questa caratteristica consente ai progettisti di ridurre o eliminare i radiatori ingombranti.
Tuttavia, il controllo dei transistor GaN può essere complicato. La capacità di questo tipo di transistor di resistere alle alte frequenze significa che il driver di controllo deve essere fisicamente vicino a questo transistor per eliminare i ritardi e ridurre efficacemente la velocità di commutazione di questo transistor per evitare interferenze elettromagnetiche (EMI) non necessarie. I progettisti di convertitori di potenza che utilizzano GaN eliminano queste sfide utilizzando un unico dispositivo che combina un interruttore di alimentazione ad alta tensione per il lato primario (ingresso) con un circuito integrato di controllo per il lato secondario (uscita) e un circuito di feedback.
Caratteristiche dettagliate del funzionamento dell'interruttore
Power Integrations utilizza i suoi prodotti tecnici PopwiGaN ™ InnoSwitch3 ha sviluppato più serie di tali dispositivi di imballaggio. Ad esempio, il circuito integrato dell'interruttore di trasferimento serie InnoSwitch3-CP (Figura 1) utilizza un controller antieccitazione quasi risonante (QR) per fornire un'uscita a tensione costante (CV)/corrente costante (CC) per ottenere una curva di potenza costante (CP).
I lati primario e secondario di questo circuito integrato sono isolati elettricamente, ma le informazioni sulla tensione di uscita e sulla corrente vengono trasmesse dal controller secondario al controller primario tramite accoppiamento induttivo. La tecnologia di comunicazione FluxLink fornisce informazioni rapide e precise per una risposta rapida ai transitori di carico e frequenze di commutazione fino a 70 kHz.
Innovazioni di potenza Circuito integrato di commutazione serie InnoSwitch3-CP
Figura 1: I controller primario e secondario del CI dell'interruttore di trasferimento della serie InnoSwitch3-CP sono isolati elettricamente, ma il feedback può essere condiviso tramite un collegamento di flusso (linea tratteggiata). Fonte immagine: Power Innovations)
I circuiti integrati della serie InnoSwitch3-CP gestiscono potenze da 50 W a 100 W senza la necessità di un dissipatore di calore, riducendo il volume totale dell'alimentatore. Questi componenti hanno una tensione operativa continua nominale di 650 V ma possono resistere a picchi fino a 750 V.
Per gli alimentatori che utilizzano circuiti integrati della serie InnoSwitch3-CP, si ottiene un'efficienza energetica del 94% entro l'intervallo di carico consentito, mentre gli switch basati su silicio hanno un'efficienza energetica di circa il 90%. La serie InnoSwitch3-CP non solo è efficiente dal punto di vista energetico ma ha anche un consumo energetico estremamente basso (meno di 30 mW), il che aiuta a soddisfare le normative globali sull'efficienza energetica.
Per garantire la sicurezza e prolungare la durata dei componenti, il circuito integrato della serie InnoSwitch3-CP fornisce un isolamento galvanico migliorato da 4000 V CA tra i lati primario e secondario, è conforme agli Underwriters Laboratories (UL) 1577 e ciascuna unità supera i test HIPOT. Altre funzioni di sicurezza includono il rilevamento e la risposta al circuito aperto del gate dei transistor ad effetto di campo del raddrizzatore sincrono (SR FET), alla sottotensione o sovratensione della linea di ingresso e alla sovratensione di uscita. Il controller IC limita inoltre la sovracorrente e si spegne prima che si verifichi il surriscaldamento.
Il circuito integrato della serie InnoSwitch3-EP (Figura 2) è simile al circuito integrato della serie InnoSwitch3-CP. Questi circuiti integrati non sono ottimizzati per una singola uscita di potenza costante, ma utilizzano la tecnologia SSR (Secondary Side Adjustment) ponderata per mediare le tensioni di uscita di più canali nei segnali di controllo.