Technologien mit großer Bandlücke zur Maximierung von Effizienz und Leistungsdichte in der Hochspannungs-LED-Beleuchtung

Die Hochspannungs-LED-Beleuchtung hat sich als praktikabler Ersatz für frühere Technologien wie die Hochdruckentladungsbeleuchtung (HID) erwiesen. Mit der Einführung der Hochspannungs-LED-Beleuchtung stürzten sich viele Hersteller auf die Produktion und den Einsatz in einer Vielzahl von Anwendungen. Während die Lichtqualität und die Leistungsdichte erheblich gesteigert werden konnten, ist die Effizienz zu einem wichtigen Aspekt geworden, den es zu berücksichtigen gilt. Außerdem waren die Ausfallraten bei den ersten Anwendungen viel höher als erwartet. Die größte Herausforderung bei der Hochspannungs-LED-Beleuchtung besteht darin, die Leistungsdichte und Effizienz weiter zu erhöhen sowie die Zuverlässigkeit und Erschwinglichkeit für zukünftige Anwendungen zu verbessern. In diesem Artikel wird die Technologie mit breitem Bandabstand (GaN) behandelt und wie sie die Herausforderung der Effizienz und Leistungsdichte für Hochspannungs-LED-Beleuchtung lösen kann. In dieser Diskussion wird gezeigt, wie die Technologie mit breiter Bandlücke zur Maximierung des Wirkungsgrads und der Leistungsdichte eingesetzt werden kann, wobei der Schwerpunkt auf dem abwärts wandelndem Teil der in Abbildung 1 dargestellten LED-Treiberarchitektur liegt.

Halbleiter mit breiter Bandlücke (GaN) können im Vergleich zu herkömmlichen Halbleitern wie Silizium mit höheren Schaltfrequenzen arbeiten. Materialien mit breiter Bandlücke erfordern eine höhere Energiemenge, um ein Elektron anzuregen, damit es vom oberen Ende des Valenzbandes zum unteren Ende des Leitungsbandes springt, wo es in der Schaltung verwendet werden kann. Eine Vergrößerung der Bandlücke hat daher große Auswirkungen auf ein Bauelement (und ermöglicht eine kleinere Chipgröße, um die gleiche Aufgabe zu erfüllen). Materialien wie Galliumnitrid (GaN), die eine größere Bandlücke aufweisen, können stärkeren elektrischen Feldern standhalten. Entscheidende Eigenschaften von Materialien mit breiter Bandlücke sind hohe Geschwindigkeiten der freien Elektronen und eine höhere Elektronenfelddichte. Diese Schlüsseleigenschaften machen GaN-Schalter bis zu 10-mal schneller und deutlich kleiner bei gleichem Widerstand und gleicher Durchbruchspannung wie ein vergleichbares Silizium-Bauteil. GaN eignet sich perfekt für Hochspannungs-LED-Anwendungen, da diese Schlüsseleigenschaften es ideal für die Implementierung in zukünftige Beleuchtungsanwendungen machen.

Abbildung 1: Systemarchitektur eines nicht isolierten LED-Treibers mit hoher Leistung. (Bildquelle: STMicroelectronics)

Abbildung 1 zeigt die High-Level-Architektur einer LED-Beleuchtungsanwendung, die als Basisbeispiel für die Anwendung der GaN-Technologie mit breiter Bandlücke dienen soll. Obwohl Materialien mit breiter Bandlücke in allen Anwendungen eingesetzt werden können, liegt der Schwerpunkt auf dem grün hervorgehobenen Hochspannungsstromgenerator, um die Technologie mit breiter Bandlücke zur Maximierung von Effizienz und Leistungsdichte zu nutzen. Die meisten Beleuchtungsanwendungen erfordern einen hohen Leistungsfaktor und eine geringe harmonische Verzerrung über einen weiten Eingangswechselspannungsbereich. In diesem Fall ist es vorzuziehen, einen PFC-Aufwärtswandler (Boost) zu implementieren, um einen sauberen 400-V_DC-Eingang für den LED-Treiber bereitzustellen und die Anforderungen an die Stromqualität zu erfüllen. Es gibt mehrere Optionen für einen Frontend-PFC-Aufwärtswandler: Übergangsmodus (TM), Dauerleitungsbetrieb (CCM) und andere. Der Übergangsmodus zeichnet sich durch einen Betrieb mit variabler Frequenz und eine Nullstromschaltung beim Einschalten des Leistungs-MOSFETs aus. Weitere Vorteile sind die einfache Konstruktion, die geringe Größe der Induktivität und das Fehlen einer Rückwärtserholung der Boost-Diode. Die größte Herausforderung ist der hohe Spitzen- und effektive Eingangsstrom, der mit zunehmender Leistung auch einen größeren EMI-Filter erforderlich macht. CCM bietet stattdessen einen Festfrequenzbetrieb. Der Boost-Induktionsstrom hat immer eine durchschnittliche Komponente, abgesehen von Punkten nahe dem Nulldurchgang. Die Induktivität ist für eine Restwelligkeit von 20-30% ausgelegt, was im Vergleich zum TM-Betrieb zu einem kleineren EMI-Filter führt. Dies bedeutet auch eine größere Boost-Induktivität und einen kleineren EMI-Filter für dieselbe Ausgangsleistung im Vergleich zum TM-Betrieb. Die größten Herausforderungen sind eine komplexere Steuerung und die Notwendigkeit einer ultraschnellen Soft-Recovery-Diode oder SiC-Diode. Daher ist die CCM-PFC im Allgemeinen teurer als eine TM-PFC. Idealerweise kann in CCM-PFCs anstelle der Gleichrichterdiode ein Schalter ohne Sperrverzögerung verwendet werden. Das macht GaN-Transistoren zu sehr guten Kandidaten für diese Anwendung.

Die Isolierung ist optional und kann zwischen der Eingangsstufe und der zweiten Stufe der Leistungsumwandlung eingeführt werden. In diesem Beispiel wird keine Isolierung verwendet, und auf die Eingangs-PFC-Stufe folgt eine nicht isolierte inverse Abwärtswandlerstufe mit CC/CV-Steuerung. In den Fällen, in denen eine Isolierung erforderlich ist, kann je nach den Anforderungen der Anwendung an die Ausgangsleistung ein Resonanzstromrichter (LLC, LCC) oder ein Sperrwandler verwendet werden.

Der PFC-Aufwärtswandler erzeugt an seinem Ausgang eine geregelte Zwischenkreisspannung (höher als der Spitzenwert der Eingangswechselspannung) und gibt diese höhere Zwischenkreisspannung an die invertierte Abwärtswandlerstufe weiter. Die Abwärtsregelung ist recht einfach. Wenn der Schalter im Abwärtsregler eingeschaltet ist, entspricht die Induktionsspannung der Differenz zwischen der Eingangs- und Ausgangsspannung (V_IN – V_OUT). Wenn der Schalter ausgeschaltet ist, wird der Strom durch die Fangdiode gleichgerichtet und die Induktionsspannung entspricht der Ausgangsspannung.

MasterGaN-System im Gehäuse (SiP) für LED-Treiber

Neben der Leistungsdichte und dem Wirkungsgrad ist die Komplexität des Designs eine der größten Herausforderungen für Hochspannungsbeleuchtungsanwendungen. Durch den Einsatz von Halbleitern mit breiter Bandlücke wie GaN können die Leistungsdichte und die Effizienz der Schaltung erhöht werden. Die MasterGaN-Familie von ST stellt sich dieser Herausforderung, indem sie die Hochspannungs-Smart-Power-Gate-Treiber im BCD-Verfahren mit Hochspannungs-GaN-Transistoren in einem einzigen Gehäuse kombiniert. MasterGaN ermöglicht eine einfache Implementierung der in Abbildung 1 gezeigten Topologie. Er enthält zwei 650V-GaN-HEMT-Transistoren in Halbbrückenkonfiguration sowie die Gate-Treiber. In diesem Beispiel ist die gesamte Buck-Leistungsstufe in ein einziges QFN-Gehäuse (9x9 mm) integriert, das nur eine minimale Anzahl externer Komponenten erfordert. Sogar die Bootstrap-Diode, die typischerweise zur Versorgung des isolierten Hochspannungsteils eines dualen High-Side/Low-Side-Halbbrückentreibers benötigt wird, ist in das SiP eingebettet. Folglich kann die Leistungsdichte einer Anwendung, die einen MasterGAN-Baustein verwendet, im Vergleich zu einer Standard-Siliziumlösung bei gleichzeitiger Erhöhung der Schaltfrequenz oder der Ausgangsleistung drastisch erhöht werden. Bei dieser LED-Treiber-Anwendung wurde eine Verringerung der Leiterplattenfläche um 30 % erreicht, und es wurden keine Kühlkörper verwendet.

Für LED-Beleuchtungsanwendungen mit hoher Leistung ist CCM der beste Betriebsmodus. Bei der Implementierung von CCM mit GaN-Bauelementen ergeben sich die bereits erwähnten Vorteile sowie eine Kostenreduzierung. Aufgrund des geringeren Anteils der Schaltverluste an den Gesamtverlusten besteht kein Bedarf an sehr niedrigen R_DSON für Anwendungen mit hoher Leistung. GaN entschärft auch einen großen Nachteil von CCM, indem es Erholungsverluste eliminiert und EMI reduziert, da GaN keine Sperrverzögerung erfährt. Der CCM-Betrieb mit fester Ausschaltzeit macht auch die Kompensation der Ausgangsstromwelligkeit in Abhängigkeit von V_OUT sehr einfach. Es ist klar, dass die Implementierung von GaN-Schaltern unter Verwendung von CCM eine großartige Kombination für Hochspannungs-LED-Beleuchtungsanwendungen sowie für viele andere Anwendungen darstellt.

Das Grundschema einer inversen abwärtswandelnden Topologie ist in Abbildung 2 dargestellt, zusammen mit einer Implementierung, die den MASTERGAN4 verwendet.

Abbildung 2: Inverse Buck-Topologie, implementiert mit MASTERGAN4. (Bildquelle: STMicroelectronics)

Der MASTERGAN4 enthält zwei 225 mΩ (typisch bei 25°C) 650V-GaN-Transistoren in Halbbrückenkonfiguration, einen speziellen Halbbrücken-Gate-Treiber und die Bootstrap-Diode. Dieses hohe Maß an Integration vereinfacht das Design und minimiert die Leiterplattenfläche durch ein kleines 9x9 mm QFN-Gehäuse. Die in Abbildung 3 gezeigte Evaluierungsplatine wurde mit dem MASTERGAN4 in einer inversen Buck-Topologie entwickelt und hat folgende Spezifikationen: Sie akzeptiert bis zu 450 V Eingangsspannung und die Ausgangsspannung der LED-Kette kann zwischen 100 V und 370 V eingestellt werden, sie arbeitet im CCM-Modus mit fester Ausschaltzeit (FOT) und einer Schaltfrequenz von 70 kHz, der maximale Ausgangsstrom beträgt 1 A.

Abbildung 3: Beispiel einer inversen abwärtswandelnden Demo mit MASTERGaN4. (Bildquelle: STMicroelectronics)

Der Controller in dieser Lösung, der HVLED002, wird zur Erzeugung eines einzigen PWM-Steuersignals verwendet. Eine externe Schaltung, die auf einfachen Schmitt-Triggern basiert, wird dann verwendet, um zwei komplementäre Signale zu erzeugen, die die GaN-Transistoren der unteren und oberen Seite mit einer geeigneten Totzeit ansteuern. Zwei Linearregler sind ebenfalls enthalten, um die vom MASTERGAN4 benötigten Versorgungsspannungen zu erzeugen. Die mit dem MASTERGAN4 implementierte inverse abwärtswandelnde Topologie bietet eine Lösung für eine höhere Leistungsdichte und Effizienz, aber lassen Sie die nachstehend beschriebenen Ergebnisse für sich selbst sprechen.

Experimentelle Ergebnisse:

Die Effizienzplots in Abbildung 4 zeigen die Vorteile der vorgeschlagenen Lösung im Vergleich zu einer herkömmlichen Siliziumlösung als Funktion der LED-Kettenspannung für Ausgangsströme von 0,5 A und 1 A.

Abbildung 4: Wirkungsgrad im Vergleich zur LED-Spannung für MasterGaN- und Silizium-MOSFET. (Bildquelle: STMicroelectronics)

Die Effizienz der MASTERGAN4 liegt über den gesamten Spannungsbereich der LED-Strings bei oder über 96,8 %. Es ist zu beobachten, dass über alle Leistungsstufen hinweg der Effizienzgewinn dank der geringen Leitungsverluste sowie der minimalen Antriebs- und Schaltverluste der GaN-Lösung maximiert wird.

Tabelle 1: Größenvergleich für GaN- und Silizium-MOSFET

Tabelle 1 vergleicht die Siliziumlösung mit der MASTERGAN4-basierten Lösung. Wie zu sehen ist, wird mit dem GaN-Design eine Verringerung der gesamten Leiterplattenfläche um mehr als 30 % erreicht. Die Ergebnisse zeigen einen Weg, der mit GaN in dieser inversen Buck-Topologie beschritten werden kann. Eine Erhöhung der Schaltfrequenz über 70 kHz kann die Größe der Ausgangsinduktivität und des Kondensators auf Kosten höherer Betriebs- und Schaltverluste verringern. Bei einer höheren Frequenz und geringerer Filtergröße können Elektrolytkondensatoren durch zuverlässigere und größere Keramikkondensatoren ersetzt werden. Der Kompromiss zwischen der Größe des Filterkondensators und der Induktivität des Abwärtswandlers kann auf der Grundlage der für die Zielanwendung erforderlichen Schaltfrequenz optimiert werden.

Fazit

Dieser Artikel behandelt die Implementierung einer inversen Buck-Topologie für LED-Beleuchtungsanwendungen auf der Grundlage von MASTERGAN4. Das System in Gehäusekonfiguration nutzt 225 mΩ GaN-Transistoren für 650 V in Halbbrückenkonfiguration und spezielle Gate-Treiber. Die GaN-Lösung weist im Vergleich zu Silizium einen höheren Wirkungsgrad und eine geringere Leiterplattenfläche auf. MasterGaN ist die ideale Lösung für eine kompakte, hocheffiziente und leistungsstarke inverse Abwärtswandler-Implementierung für Beleuchtungsanwendungen.