Wie man integrierte GaN-Schalter für hocheffiziente, kostengünstige Offline-Stromversorgungen verwendet

Von Jeff Shepard

Zur Verfügung gestellt von Nordamerikanische Fachredakteure von Digi-Key

Die Anwendungsbereiche für kompakte 100-Watt-Netzteile werden immer vielfältiger: von AC/DC-Ladegeräten und -Adaptern, USB-Power-Delivery-Ladegeräten und Schnellladeadaptern bis hin zu LED-Beleuchtung, Haushaltsgroßgeräten, Motorantrieben, intelligenten Zählern und Industriesystemen. Für die Entwickler dieser Offline-Sperrwandler-Stromversorgungen besteht die Herausforderung darin, Robustheit und Zuverlässigkeit zu gewährleisten und gleichzeitig die Kosten zu senken, den Wirkungsgrad zu verbessern und den Formfaktor für eine höhere Leistungsdichte zu verringern.

Um viele dieser Probleme zu lösen, können Entwickler Silizium-Leistungsschalter durch Bauelemente ersetzen, die auf Technologien mit breiter Bandlücke (WBG) wie Galliumnitrid (GaN) basieren. Dies führt direkt zu einer verbesserten Stromversorgungseffizienz und einem geringeren Bedarf an Kühlkörpern, was eine höhere Leistungsdichte ermöglicht. Im Vergleich zu Si sind GaN-Schalter jedoch schwieriger zu steuern.

Entwickler können die mit schnellen Schaltgeschwindigkeiten verbundenen Probleme wie Streuinduktivität und -kapazität sowie Hochfrequenzschwingungen überwinden, aber das erfordert zusätzliche Entwicklungszeit und -kosten. Stattdessen können Entwickler auf hochintegrierte Offline-Sperrwandler-Schalt-ICs mit internen GaN-Leistungsbauelementen zurückgreifen.

In diesem Artikel werden kurz die Vorteile von GaN und die Herausforderungen beim Design erörtert. Anschließend werden drei integrierte Offline-Sperrwandler-Schalt-IC-Plattformen mit internen GaN-Leistungsschaltern von Power Integrations vorgestellt und gezeigt, wie sie für hocheffiziente Leistungswandlerdesigns verwendet werden können. Ergänzend dazu werden MinE-CAP-Kondensatorminiaturisierung und Einschaltstrom-Management-ICs sowie eine nützliche Online-Designumgebung vorgestellt.

Was ist GaN und was ist daran so gut?

GaN ist ein Halbleitermaterial mit großer Bandlücke, das im Vergleich zu Si einen niedrigen Durchlasswiderstand, eine hohe Durchschlagsfestigkeit, schnelle Schaltgeschwindigkeiten und eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Die Verwendung von GaN anstelle von Si ermöglicht die Herstellung von Schaltern, die wesentlich geringere Schaltverluste beim Ein- und Ausschalten aufweisen. Darüber hinaus sind GaN-Bauelemente mit gleichem Durchlasswiderstand viel kleiner als ihre Si-Gegenstücke. Infolgedessen hat ein GaN-Leistungsschalter bei einer bestimmten Chipgröße geringere kombinierte Leitungs- und Schaltverluste (Abbildung 1).

Graph: GaN-Bauelemente haben einen geringeren DurchlasswiderstandAbbildung 1: Bei einer bestimmten Chipgröße haben GaN-Bauelemente im Vergleich zu Si-MOSFETs einen geringeren Durchlasswiderstand, was zu geringeren Gesamtverlusten führt. (Bildquelle: Power Integrations)

Obwohl GaN eindeutige Vorteile hat, kann es eine Herausforderung sein, sie zu implementieren. Aufgrund der extrem schnellen Schaltgeschwindigkeiten von GaN-Bauelementen kann das Layout von Ansteuerungsschaltungen beispielsweise sehr empfindlich auf Streuinduktivitäten und -kapazitäten der Leiterplatte und diskreter GaN-Gehäuse reagieren. Die schnellen Spannungsschwankungen (dv/dt) und hochfrequenten Oszillationen, die bei der Ansteuerung von GaN-Bauelementen auftreten können, verursachen mehr elektromagnetische Interferenzen (EMI), die herausgefiltert werden müssen, um eine Verringerung des Wirkungsgrads des Wandlers zu verhindern. Auch das schnelle Schalten von GaN-Bauelementen macht es schwierig, sie vor Fehlern zu schützen, da diese die Bauelemente schneller beschädigen können, als die Schutzschaltungen reagieren können.

Vereinfachung ohne Leistungseinbußen

Power Integrations hat diese Komplexität mit seinen quasi-resonanten PowiGaN-Schalt-ICs InnoSwitch3-CP, InnoSwitch3-EP und InnoSwitch3-Pro gelöst (Abbildung 2). PowiGaN ist die von Power Integrations intern entwickelte GaN-Leistungsschaltertechnologie, die die herkömmlichen Siliziumtransistoren auf der Primärseite der Offline-Sperrwandler-Schalt-ICs InnoSwitch3 ersetzt. Stattdessen sind Primär-, Sekundär- und Rückkopplungsschaltungen in einem einzigen SMD-Gehäuse (InSOP-24D) integriert. Auf diese Weise reduzieren die Bausteine die Komplexität des Treiberlayouts und die EMI-Erzeugung und verringern gleichzeitig die Leitungs- und Schaltverluste, was effizientere, leichtere und kleinere Adapter und Ladegeräte sowie offene Netzteile ermöglicht.

Mit diesem Ansatz können sich die Entwickler von Stromversorgungen auf die Leistungsabgabe, die thermische Leistung, die Formfaktoren und andere Anwendungsüberlegungen konzentrieren, ohne von der anspruchsvollen GaN-Technologie abgelenkt zu werden.

Abbildung: Power Integrations Offline-Sperrwandler-Schalt-ICs InnoSwitch3 mit GaN-SchalternAbbildung 2: Offline-Sperrwandler-Schalt-ICs InnoSwitch3 mit GaN-Schaltern werden im platzsparenden InSOP-24D-Gehäuse geliefert. (Bildquelle: Power Integrations)

Die drei InnoSwitch3-Familien mit PowiGaN-Technologie sind für bestimmte Klassen von Anwendungen optimiert:

  • Der InnoSwitch3-CP eignet sich für Anwendungen wie das Laden von Batterien, die von einem konstanten Leistungsprofil profitieren können.
  • InnoSwitch3-EP ist für offene AC/DC-Netzteile in einer Reihe von Verbraucher- und Industrieanwendungen geeignet.
  • Die InnoSwitch3-Pro verfügen über eine digitale I²C-Schnittstelle für die Softwaresteuerung von Konstantspannungs- (CV) und Konstantstrom-Sollwerten (CC), Sicherheitsmodusoptionen und Ausnahmebehandlung.

Die InnoSwitch3-ICs verfügen über eine quasi-resonante Steuerung, einen Wirkungsgrad von bis zu 95 % über den gesamten Lastbereich, unterstützen präzise CV-, CC- und Konstantleistungsausgänge (CP), um eine Vielzahl von Anwendungsanforderungen zu erfüllen, und umfassen eine verlustfreie Strommesstechnologie. Letzteres macht externe Strommesswiderstände überflüssig, die den Wirkungsgrad verringern und sogar den Widerstand vieler GaN-Schalter in diskreten Designs übersteigen können.

Zu den weiteren Hauptmerkmalen der Schalter gehören die sekundärseitige Abtastung, ein spezieller Treiber für einen synchronen Gleichrichter-MOSFET, eine integrierte induktionsgekoppelte FluxLink-Rückkopplungsverbindung zwischen den primär- und sekundärseitigen Reglern mit >4000 Volt Wechselstrom-Isolierung, die Einhaltung globaler Energieeffizienz-Anforderungen, niedrige EMI, Sicherheit und Einhaltung gesetzlicher Vorschriften (UL1577 und TÜV (EN60950 und EN62368) sowie sofortiges Einschwingen für 100%ige Lastschritte.

Digital steuerbare Offline-CV/CC-QR-Sperrwandler-Schalt-ICs

Entwickler von Multi-Chemie- und Multiprotokoll-Batterieladegeräten, einstellbaren CV- und CC-LED-Vorschaltgeräten, hocheffizienten programmierbaren USB-PD-3.0+-Stromversorgungen (PPS), QC-Adaptern und ähnlichen Anwendungen können von der Verwendung der vollständig programmierbaren InnoSwitch3-Pro-ICs profitieren, einschließlich der INN3378C, INN3379C und INN3370C, die in AC/DC-Adaptern mit einer Leistung von bis zu 90 Watt und in offenen AC/DC-Netzteilen mit bis zu 100 Watt eingesetzt werden können (Tabelle 1). Diese Bauteile sind auch nützlich, wenn eine Feinsteuerung des Ausgangsstroms und der Spannung erforderlich ist (10 Millivolt (mV) und 50 Milliampere (mA) Schritte werden unterstützt).

Tabelle der InnoSwitch3-Pro-ICsTabelle 1: InnoSwitch3-Pro-ICs sind für den Betrieb mit 230 VAC ±15% Eingang und 85 bis 265 VAC Eingang ausgelegt. (Quelle der Tabelle: Power Integrations)

Die I²C-Schnittstelle in den InnoSwitch3-Pro-Komponenten vereinfacht die Entwicklung und Produktion voll programmierbarer Stromversorgungen (Abbildung 4). Sie ermöglicht eine dynamische Steuerung von Ausgangsstrom und -spannung. Sie kann zur Konfiguration der Stromversorgung, der CV-, CC- und CP-Sollwerte, der Schutzeinstellungen, wie z. B. der Über- und Unterspannungsschwellen, und zur Bearbeitung von Fehlermeldungen verwendet werden. Die integrierte 3,6-Volt-Versorgung kann zur Versorgung eines externen Mikrocontrollers (MCU) verwendet werden. Darüber hinaus erfüllt die Leistungsaufnahme von <30 Milliwatt (mW) im Leerlauf (einschließlich der Sense-Leitung und der MCU) alle weltweiten Anforderungen an die Energieeffizienz.

Diagramm: Power Integrations InnoSwitch3-Pro-ICs enthalten eine I²C-SchnittstelleAbbildung 3: Die InnoSwitch3-Pro-ICs verfügen über eine I²C-Schnittstelle zur vollständigen digitalen Steuerung und Überwachung sowie über eine integrierte 3,6-Volt-Versorgung (uVCC) zur Versorgung einer externen MCU. (Bildquelle: Power Integrations)

Hardware-konfigurierbare Lösungen

Für Anwendungen, die keine digitale Programmierbarkeit oder Überwachung erfordern, bietet Power Integrations die hardwarekonfigurierbaren Lösungen der Familien InnoSwitch3-CP (Abbildung 5) und -EP an. Wie der InnoSwitch3-Pro enthalten auch die Komponenten InnoSwitch3-CP und InnoSwitch-EP primäre und sekundäre Regler sowie eine verstärkte Isolierung, die für >4000 VAC in einem einzigen IC ausgelegt ist. Zu den Schutzfunktionen gehören Überspannungs- und Überstrombegrenzung am Ausgang, Über- und Unterspannungsschutz der AC-Leitung und Übertemperaturabschaltung. Die Bauteile zeichnen sich durch eine hohe Störfestigkeit aus und ermöglichen Designs, die die Leistungsstufen der EN61000-4 Klasse „A“ erfüllen.

Diagramm: Power Integrations InnoSwitch3-CP in einer typischen Anwendung mit dem induktiven Rückkopplungsanschluss FluxLinkAbbildung 4: Das Bild zeigt den InnoSwitch3-CP in einer typischen Anwendung mit der induktiven Rückkopplungsverbindung FluxLink (gestrichelte Linie) zwischen den primär- und sekundärseitigen Reglern. (Bildquelle: Power Integrations)

Entwickler von hocheffizienten Sperrwandlern bis zu 100 Watt für Anwendungen wie USB-PD, QC-Adapter und ähnliche Anwendungen können von InnoSwitch3-CP-Bausteinen wie den INN3278C, INN3279C und INN3270C profitieren (Tabelle 2). Diese QR-Schalt-ICs verfügen über CV- und CC-Modi mit konstanten Leistungsprofilen und unterstützen Standardkombinationen von Selbsthaltung und Auto-Restart. Die Kabelverlustkompensation ist eine optionale Funktion.

Tabelle der Leistungsdaten der InnoSwitch3-CP-Familie für Adapter und offene DesignsTabelle 2: Leistungsdaten der InnoSwitch3-CP-Familie für Adapter und offene Designs. (Quelle der Tabelle: Power Integrations)

Für Anwendungen wie Stromzähler, Industrie- und Smart-Grid-Stromversorgungen, Standby- und Bias-Strom für Haushaltsgeräte, Konsumgüter und Computer, die keine konstante Leistung benötigen, können Entwickler aus den InnoSwitch3-EP-Bausteinen wie dem INN3678C, INN3679C und INN3670C wählen (Tabelle 3).

Tabelle: InnoSwitch3-EP-ICs sind für volle Leistung bei 230 VAC ±15% ausgelegtTabelle 3: InnoSwitch3-EP-ICs sind für volle Leistung bei 230 VAC ±15% und reduzierte Leistung mit einem breiten Eingangsbereich von 85 bis 265 VAC ausgelegt. (Quelle der Tabelle: Power Integrations)

InnoSwitch3-EP-Bauteile unterstützen eine gute Multi-Ausgangs-Cross-Regulation. Die Ausgangsstrommessung ist mit einem externen Widerstand einstellbar, während die CV/CC-Leistung sehr genau und unabhängig von externen Komponenten ist. Diese QR-Sperrwandler-Schalt-ICs sind mit optionalem Auto-Restart-Ausgangsunterspannungsschutz erhältlich und können mit Standard- oder Spitzenleistungsoptionen bestellt werden.

Kondensatorminiaturisierung und Einschaltstrom-Management

Um die Anzahl der Bauteile weiter zu reduzieren und die Leistung von AC/DC-Netzteilen zu verbessern, können Entwickler, die einen InnoSwitch3-PowiGaN-IC verwenden, auch den komplementären MinE-CAP-Kondensatorminiaturisierungs- und -Einschaltstrom-Management-IC für Designs mit sehr hoher Leistungsdichte einsetzen (Abbildung 8). Mit MinE-CAP kann das Volumen der Eingangskondensatoren um bis zu 50 % reduziert werden, und ein NTC-Thermistor zur Begrenzung des Einschaltstroms wird überflüssig. Die Verwendung von MinE-CAP verringert auch die Belastung des Eingangs-Brückengleichrichters und der Sicherung, was zu einer höheren Zuverlässigkeit der Stromversorgung führt.

Diagramm: Power Integrations MinE-CAP-Kondensator-IC (zum Vergrößern anklicken)Abbildung 5: Der MinE-CAP-Kondensatorminiaturisierungs- und -Einschaltstrom-Management-IC ist eine natürliche Ergänzung zu den InnoSwitch3-Offline-Sperrwandler-Schalt-ICs in AC/DC-Netzteilen mit hoher Packungsdichte. (Bildquelle: Power Integrations)

Wie die InnoSwitch3-ICs nutzt auch der MinE-CAP die geringe Größe und den niedrigen Durchlasswiderstand von PowiGaN-Bauelementen, um die Systemleistung zu erhöhen. MinE-CAP verbindet und trennt automatisch Segmente des Kondensatornetzes in Abhängigkeit von den Netzspannungsbedingungen. Auf diese Weise können Entwickler den kleinsten Kondensator (CHV in Abbildung 8) für den Betrieb mit hoher Netzwechselspannung verwenden, während der größte Teil der Energiespeicherung in Kondensatoren mit niedrigerer Spannung (CLV) für den Einsatz unter niedrigen Netzbedingungen untergebracht wird. Da Niederspannungskondensatoren wesentlich kleiner sind als Hochspannungskondensatoren, wird durch den Einsatz von MinE-CAP die Gesamtgröße der Eingangskondensatoren ohne Verringerung des Wirkungsgrads und ohne Erhöhung der Ausgangswelligkeit verringert, ohne dass ein neuer Leistungstransformator erforderlich wird.

Die Verwendung von MinE-CAP reduziert die Größe von Stromversorgungen ebenso effektiv wie die Erhöhung der Schaltfrequenz, um die Größe des Transformators zu verringern. MinE-CAP-Lösungen verwenden weniger Komponenten und eliminieren die Herausforderungen des Hochfrequenzdesigns, wie z. B. erhöhte Transformator-/Klemmenverluste und höhere EMI.

Online-Entwicklungstools

Power Integrations bietet außerdem PI Expert an, um das Design von Offline-Sperrwandler-AC/DC-Stromversorgungen mit den integrierten Offline-Sperrwandler-Schalt-ICs der Serie InnoSwitch3 von PowiGaN zu beschleunigen. PI Expert basiert auf einer automatisierten grafischen Benutzeroberfläche (GUI) und verwendet die Spezifikationen der Stromversorgung, um automatisch eine Lösung für die Energieumwandlung zu erstellen. Es bietet Entwicklern alle Details, die sie für den Bau und die Prüfung eines Prototyps eines Stromrichters benötigen. Mit PI Expert können Entwickler in wenigen Minuten ein komplettes Design erstellen.

Die Entwicklung mit PowiGaN-basierten InnoSwitch3-ICs ist die gleiche wie die mit Si-basierten InnoSwitch3-Bauteilen. PI Expert arbeitet in gleicher Weise bei der Optimierung von Schaltfrequenz, EMI-Filterung, Transformator-Design, Vorspannung und Synchrongleichrichtung für PowiGaN- und Si-Bauelemente. Das Tool implementiert automatisch alle Änderungen, die erforderlich sind, um die höhere Leistung von PowiGaN-basierten Designs zu erreichen. Das Tool erstellt einen interaktiven Schaltplan, eine vollständige Stückliste, detaillierte elektrische Parameter und Empfehlungen für das Leiterplattenlayout. Die Ergebnisse umfassen auch ein vollständiges magnetisches Design mit Kerngröße, Drahtstärke, Anzahl der parallelen Drähte, Anzahl der Windungen in jeder Wicklung und die Wickelanweisungen für die mechanische Montage.

Fazit

Entwickler müssen die Leistungsdichte erhöhen, die Kosten senken und die Entwicklungszeit für Offline-Netzteile mit 100 Watt für Anwendungen von AC/DC-Ladegeräten und -Adaptern bis hin zu industriellen Systemen verkürzen. Der Einsatz der GaN-Technologie kann hier Abhilfe schaffen, aber die Entwicklung mit GaN erfordert eine sorgfältige Beachtung des Platinenlayouts und anderer Probleme im Zusammenhang mit Hochgeschwindigkeitsschaltungen.

Wie gezeigt, ermöglicht ein integrierter Ansatz auf der Basis von InnoSwitch3-QR-Sperrwandler-Schalt-ICs den Entwicklern die Entwicklung eleganter, hocheffizienter Leistungswandler, die die Leistungsvorteile von GaN-Schaltern bieten und gleichzeitig die Risiken reduzieren, die normalerweise mit der Einführung einer neuen Technologie verbunden sind.

Durch den Einsatz des InnoSwitch3 in Kombination mit dem MinE-CAP-Einschaltstrommanagement- und -Kondensatorminiaturisierungs-IC von Power Integrations sowie den Online-Designtools PI Expert des Unternehmens können Entwickler schneller kompakte, robuste und kostengünstige Stromversorgungen mit einer geringen Anzahl von Bauteilen implementieren, die den weltweiten Effizienzstandards entsprechen.

Empfohlene Lektüre

  1. Der Bau eines AC/DC-Schalters ist mit PI Expert einfach

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Über den Autor

Jeff Shepard

Jeff has been writing about power electronics, electronic components, and other technology topics for over 30 years. He started writing about power electronics as a Senior Editor at EETimes. He subsequently founded Powertechniques, a power electronics design magazine, and later founded Darnell Group, a global power electronics research and publishing firm. Among its activities, Darnell Group published PowerPulse.net, which provided daily news for the global power electronics engineering community. He is the author of a switch-mode power supply text book, titled “Power Supplies,” published by the Reston division of Prentice Hall.

Jeff also co-founded Jeta Power Systems, a maker of high-wattage switching power supplies, which was acquired by Computer Products. Jeff is also an inventor, having his name is on 17 U.S. patents in the fields of thermal energy harvesting and optical metamaterials and is an industry source and frequent speaker on global trends in power electronics. He has a Masters Degree in Quantitative Methods and Mathematics from the University of California.

Über den Verlag

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