In der heutigen elektronischen Welt werden Stromwandler benötigt, von medizinischen Geräten über Ladegeräte für Mobiltelefone und Laptops bis hin zu Hilfsstromversorgungen. Schrumpfende Gehäusegrößen, Wärmemanagement, variable Eingangsspannungen und intelligente Ladeprotokolle erschweren die Stromversorgungs- und Wandlerkonstruktionen und erfordern eine höhere Energieeffizienz.
Im letzten Jahrzehnt sind neue Schalttechnologien entstanden, die integrierte On-Chip-Schaltkreise (IC) aus Galliumnitrid (GaN) verwenden. Galliumnitrid-Schaltkreise unterscheiden sich in ihren Eigenschaften auf atomarer Ebene, sodass Entwickler von Leistungswandlern sowohl vor Herausforderungen als auch vor Lösungen stehen.
GaN-Halbleiter haben eine sehr große Bandlücke; Mit 3,4 eV ist die Bandlücke mehr als dreimal so groß wie die eines Siliziumhalbleiters. Wie andere Materialien mit großer Bandlücke können GaN-Halbleiter bei höheren Spannungen und Temperaturen von bis zu +400 °C betrieben werden, wodurch sie für Anwendungen mit höherer Leistung, bei höheren Frequenzen sowie in Hochfrequenz- (RF) und 5G-Anwendungen geeignet sind.
In Leistungswandleranwendungen optimiert der GaN-IC Transistor-bedingte Verluste wie Serienimpedanz (RDS (ON) und Parallelkapazität (COSS) in einer kleineren Gesamtabmessung als der Silizium-IC. Auf der gleichen Grundfläche wie der Silizium-IC kann der GaN-IC nicht nur höhere Frequenzen, sondern auch weniger Wärme verarbeiten. Diese Funktion ermöglicht es Entwicklern, sperrige Strahler zu verkleinern oder zu eliminieren.
Allerdings kann die Steuerung von GaN-Transistoren umständlich sein. Die Fähigkeit dieses Transistortyps, hohen Frequenzen standzuhalten, bedeutet, dass sich der Steuertreiber physisch in der Nähe dieses Transistors befinden muss, um Verzögerungen zu vermeiden und die Schaltgeschwindigkeit dieses Transistors effektiv zu reduzieren, um unnötige elektromagnetische Störungen (EMI) zu vermeiden. Entwickler von Leistungswandlern, die GaN verwenden, beseitigen diese Herausforderungen, indem sie ein einziges Gerät verwenden, das einen Hochspannungs-Leistungsschalter für die Primärseite (Eingang) mit einem Steuer-IC für die Sekundärseite (Ausgang) und einer Rückkopplungsschaltung kombiniert.
Detaillierte Eigenschaften der Schalterbetätigung
Power Integrations nutzt seine PopwiGaN™ Technical InnoSwitch3-Produkte und hat mehrere Serien solcher Verpackungsgeräte entwickelt. Beispielsweise verwendet der Transferschalter-IC der InnoSwitch3-CP-Serie (Abbildung 1) einen quasiresonanten (QR) Anti-Erregungs-Controller, um einen Ausgang mit konstanter Spannung (CV)/konstantem Strom (CC) bereitzustellen und so eine konstante Leistungskurve (CP) zu erreichen.
Die Primär- und Sekundärseite dieses ICs sind elektrisch isoliert, die Ausgangsspannungs- und Strominformationen werden jedoch über induktive Kopplung vom Sekundärcontroller zum Primärcontroller übertragen. Die FluxLink-Kommunikationstechnologie liefert schnelle, genaue Informationen für eine schnelle Reaktion auf Lasttransienten und Schaltfrequenzen von bis zu 70 kHz.
Umschalt-IC der InnoSwitch3-CP-Serie von Power Innovations
Abbildung 1: Die primären und sekundären Controller des Transferschalter-ICs der InnoSwitch3-CP-Serie sind elektrisch isoliert, die Rückmeldung kann jedoch über eine Flussverbindung (gestrichelte Linie) geteilt werden. Bildquelle: Power Innovations)
Die integrierten Schaltkreise der InnoSwitch3-CP-Serie bewältigen Leistungen von 50 W bis 100 W, ohne dass ein Kühlkörper erforderlich ist, wodurch das Gesamtvolumen des Netzteils reduziert wird. Diese Komponenten haben eine Nenndauerbetriebsspannung von 650 V, können jedoch Überspannungen bis zu 750 V standhalten.
Bei Netzteilen mit ICs der InnoSwitch3-CP-Serie wird innerhalb des zulässigen Lastbereichs eine Energieeffizienz von 94 % erreicht, während Schalter auf Siliziumbasis etwa 90 % energieeffizient sind. Die InnoSwitch3-CP-Serie ist nicht nur energieeffizient, sondern hat auch einen extrem niedrigen Stromverbrauch (weniger als 30 mW), was dazu beiträgt, globale Energieeffizienzvorschriften einzuhalten.
Um die Sicherheit zu gewährleisten und die Lebensdauer der Komponenten zu verlängern, bietet der IC der InnoSwitch3-CP-Serie eine verbesserte galvanische Trennung von 4000 VAC zwischen der Primär- und Sekundärseite, entspricht Underwriters Laboratories (UL) 1577 und jede Einheit besteht die HIPOT-Prüfung. Zu den weiteren Sicherheitsfunktionen gehören die Erkennung und Reaktion auf offene Gate-Schaltungen von Synchrongleichrichter-Feldeffekttransistoren (SR-FET), Unter- oder Überspannung der Eingangsleitung und Ausgangsüberspannung. Der IC-Controller begrenzt außerdem den Überstrom und schaltet ab, bevor eine Überhitzung auftritt.
Der IC der InnoSwitch3-EP-Serie (Abbildung 2) ähnelt dem IC der InnoSwitch3-CP-Serie. Diese ICs sind nicht für eine einzelne konstante Leistungsabgabe optimiert, sondern verwenden die SSR-Technologie (Weighted Secondary Side Regulation), um die Ausgangsspannungen mehrerer Kanäle in Steuersignale zu mitteln.