تحسين كفاءة الطاقة باستخدام نيتريد الغاليوم (GaN)

“اليوم ، يستخدم المزيد والمزيد من المصممين إمدادات طاقة التيار المتردد / التيار المستمر القائمة على GaN في مجموعة متنوعة من التطبيقات. نيتريد الغاليوم مهم لأنه يساعد على تحسين كفاءة ترانزستورات الطاقة ، وبالتالي تقليل حجم مصدر الطاقة ودرجة حرارة التشغيل.

“

بقلم دوج بيلي ، نائب الرئيس للتسويق ، Power Integrations

اليوم ، يستخدم المزيد والمزيد من المصممين إمدادات طاقة التيار المتردد / التيار المستمر القائمة على GaN في مجموعة متنوعة من التطبيقات. نيتريد الغاليوم مهم لأنه يساعد على تحسين كفاءة ترانزستورات الطاقة ، وبالتالي تقليل حجم مصدر الطاقة ودرجة حرارة التشغيل.

الترانزستور ، سواء كان مصنوعًا من السيليكون أو نيتريد الغاليوم ، ليس جهازًا مثاليًا ، وهناك عاملان رئيسيان يجعلانه أقل كفاءة (في نموذج مبسط): الأول هو مقاومة السلسلة ، تسمى R_{DS (تشغيل)}، والآخر مكثف موازٍ يسمى ج_OSS. تحد هاتان المعلمتان من الترانزستور من أداء مزود الطاقة. نيتريد الغاليوم هي تقنية جديدة يمكن للمصممين استخدامها لتقليل التأثير على أداء مزود الطاقة بسبب الاختلافات في خصائص الترانزستور. في جميع الترانزستورات ، مع R._{DS (تشغيل)}يتناقص ، يزداد حجم القالب ، مما ينتج عنه طفيل C_OSSزاد أيضا. في ترانزستور GaN ، سي_OSSيزيد مع R_{DS (تشغيل)}نسبة التخفيض ترتيب من حيث الحجم أقل.

ص_{DS (تشغيل)} هي مقاومة المفتاح عند تشغيله ، وتساهم في خسائر التوصيل. ج_OSSفقدان الطاقة يساوي السيرة الذاتية²/ 2 (انظر الشكل 1). عندما يتم تشغيل الترانزستور ، سي_OSSبواسطة R_{DS (تشغيل)}التفريغ ، مما يؤدي إلى خسائر التوصيل. خسارة التوصيل تساوي (CV²/ 2) xf ، حيث f هو تردد التبديل. يؤدي استبدال مفاتيح السيليكون بمفاتيح نيتريد الغاليوم إلى تقليل R_{DS (تشغيل)}و ج_OSSتتيح قيمة تصميم مصدر طاقة أكثر كفاءة أو تمكين التشغيل عند ترددات أعلى مع تأثير أقل على الكفاءة ، مما يساعد على تقليل حجم المحول.

الشكل 1: السعة الطفيلية في مفتاح الطاقة الأساسي

كيف يقلل نيتريد الغاليوم من خسائر التوصيل والتبديل

تحدثنا عن عواقب زيادة حجم الترانزستور: فكلما زاد حجم الترانزستورات ، زاد حجم R_{DS (تشغيل)}سيقلل. هذه ليست مشكلة. ومع ذلك ، كلما زاد حجم الترانزستور ، زادت المساحة (من الواضح) ، وبالتالي فإن السعة الطفيلية C_OSSسيزيد أيضا. هذا ليس شيئا جيدا. يجب أن يكون حجم الترانزستور الأمثل مثل R_{DS (تشغيل)}و ج_OSSيتم تصغير المجموعة. تقع هذه النقطة عادةً عند خفض R_{DS (تشغيل)}منحنى الخسارة مع زيادة C_OSSحيث تتقاطع منحنيات الخسارة. يكون الجمع بين الخسائر المقاومة والسعة أقل عندما تتقاطع المنحنيات (انظر الشكل 2).

الشكل 2: رسم تخطيطي مبسط لفقدان الطاقة مقابل حجم الجهاز في MOSFET السيليكون

بالإضافة إلى إجمالي R_{DS (تشغيل)}بالإضافة إلى ذلك ، يوجد ملف يسمى “Specific R_{DS (تشغيل)}“المعلمة التي تتعلق بالمقاومة الكلية لمنطقة القالب. يحتوي نيتريد الغاليوم على قيمة R منخفضة جدًا مقارنة بالسيليكون_{DS (تشغيل)}، لذلك يكون المفتاح أصغر ، و C_OSSأيضا أقل. هذا يعني أن أجهزة نيتريد الغاليوم الأصغر يمكنها التعامل مع نفس مستويات الطاقة مثل أجهزة السيليكون الأكبر.

الشكل 3: تمتلك أجهزة GaN خسائر إجمالية أقل مقارنةً بـ MOSFETs السيليكون

انخفاض R_{DS (تشغيل)}وأصغر C_OSSإلى جانب الخسائر ، يمكن تصميم مصدر طاقة أكثر كفاءة باستخدام نيتريد الغاليوم ، مما يقلل من تبديد الحرارة. يساعد تقليل تبديد الحرارة المطلوب أيضًا على تقليل حجم مصدر الطاقة. التردد هو أداة أخرى يمكن للمصممين استخدامها لتقليل الحجم وتحسين أداء مصادر الطاقة باستخدام GaN. نظرًا لأن نيتريد الغاليوم أكثر كفاءة بطبيعته من السيليكون ، فمن الممكن زيادة تردد التبديل لمصادر الطاقة القائمة على نيتريد الغاليوم. في حين أن هذا يزيد الخسائر ، فإنها لا تزال أقل بكثير من تلك الموجودة في MOSFETs السيليكون وتقلل من حجم المحولات.

تحد القيود العملية لبناء المحولات والعناصر الطفيلية في الدائرة من مدى فعالية زيادة تردد التبديل. في التصميمات العملية ، بالنسبة لمحولات flyback القائمة على GaN المصنفة ≤100W ، يمكن أن يكون تردد التبديل الذي يوفر أفضل مزيج من الكفاءة والحجم والتكلفة المنخفضة أقل من 100 كيلو هرتز. بالنسبة إلى GaN ، لا يتمثل العامل المحدد في تبديل السرعة. مع C_OSSيمنح التخفيض الكبير في ، المصممين مرونة أكبر لتحسين تردد التبديل للخسائر ، مما يؤدي إلى حل متفوق.

تحسين كفاءة الطاقة مع نيتريد الغاليوم

كيف يتم تحقيق الزيادة في كفاءة الطاقة؟ على سبيل المثال ، بالنسبة لمحول flyback بقوة 65 وات باستخدام MOSFETs السيليكون ، يكون منحنى الكفاءة في نطاق حوالي 85٪ عند تحميل 10٪ وسيصل إلى أكثر من 90٪ عند التحميل الكامل (انظر الشكل 4). كما أن مهايئ flyback بقوة 65 واط يستخدم جهاز InnoSwitch ™ المستند إلى Power Integrations (PI) GaN سيكون له كفاءة تبلغ حوالي 88٪ عند تحميل 10٪. عند التحميل الكامل ، سيحقق تصميم GaN هذا كفاءة بنسبة 94 بالمائة. إذا تم استبدال MOSFET السيليكون بجهاز نيتريد الغاليوم ، يمكن تحقيق تحسين الكفاءة بنسبة 3 ٪ تقريبًا على نطاق التحميل بالكامل.

الشكل 4: مقارنة الكفاءة بين محولات SiC و GaN عند التحميل الكامل

زيادة الكفاءة بنسبة 3٪ تعادل ما لا يقل عن 35٪ انخفاضًا في الخسائر. يستهلك تصميم GaN طاقة أقل ويولد حرارة أقل بنسبة 35٪. هذا مهم لأن مفتاح الطاقة الأساسي غالبًا ما يكون العنصر الأكثر سخونة في مصدر الطاقة التقليدي. سوف تنخفض أيضًا متطلبات تبديد الحرارة لنتريد الغاليوم. سيكون مصدر الطاقة أصغر وأخف وزناً وأكثر قابلية للحمل ، ولأن المكونات أكثر برودة ، فإن مزود الطاقة سيعمل بشكل أكثر برودة ويكون له عمر أطول.

كيفية التصميم باستخدام ترانزستورات نيتريد الغاليوم

في تصميمات محولات الطاقة ، لا يمكن استخدام ترانزستورات GaN المنفصلة كبدائل إسقاط لأجهزة السيليكون. يعد تشغيل ترانزستورات GaN أكثر صعوبة ، خاصة إذا كانت دائرة القيادة على بعد مسافة من الترانزستور. يتم تشغيل أجهزة GaN بسرعة كبيرة ، مما قد يتسبب في مشاكل خطيرة في التداخل الكهرومغناطيسي وحتى التذبذبات المدمرة بدون دوائر السائق المحسّنة بعناية. عادةً ما تكون أجهزة GaN في حالة “التشغيل الدائم” ، وهي ليست مثالية لمفاتيح الطاقة ، لذلك غالبًا ما يتم إقران مفاتيح GaN المنفصلة مع ترتيب الكود من ترانزستورات السيليكون منخفضة الجهد.

لمساعدة العملاء على تحقيق تصميمات موثوقة ودائمة وتسريع وقت الوصول إلى السوق ، قدمت PI عائلة منتجات InnoSwitch3. تحتوي هذه الدوائر المتكاملة لمفتاح flyback على وحدات تحكم مدمجة للمعدلات المتزامنة الجانبية الأولية والثانوية من GaN. تتميز InnoSwitch3 ICs باستهلاك منخفض للطاقة بدون حمل وتستخدم تقنية اتصال ذات نطاق ترددي عالٍ تسمى FluxLink ™ ، والتي تتيح تمرير معلومات التغذية المرتدة بين شرائط عزل الأمان ، مع عزل يتوافق مع معايير السلامة الدولية.

يعد InnoSwitch3-PD أحدث إضافة إلى عائلة منتجات InnoSwitch3 ، ويضم وحدات تحكم أولية وثانوية ومفتاح GaN الأساسي. يوفر الجهاز وظائف واجهة USB PD و PPS كاملة بدون وحدة التحكم الدقيقة المطلوبة عادةً لمصادر طاقة USB PD + PPS. تشمل منتجات PI الأخرى التي تستخدم GaN: InnoSwitch3-Pro ، الذي يستخدم التحكم الرقمي ويدعم التعديل الديناميكي لجهد الإمداد والتيار ؛ إصدار متعدد المخرجات يسمى InnoSwitch3-MX ؛ ومحرك LED IC LYTSwitch ™ -6.

الشكل 5: يستفيد الحل المتكامل InnoSwitch3 من تقنية GaN لتوفير طاقة flyback عالية الأداء
وتسريع وقت التطوير.

لخص

نيتريد الغاليوم على وشك الوصول إلى السوق. عدد متزايد من التطبيقات ، بما في ذلك محولات USB PD ، وأجهزة التلفزيون ، والسلع البيضاء ، وإضاءة LED ، في أكثر من 60 تطبيقًا مختلفًا ، تتمتع بالفعل بفوائد نيتريد الغاليوم. عندما يمكن استخدام مصادر طاقة flyback AC / DC تصل إلى 100 واط ، يختار المزيد والمزيد من المصممين نيتريد الغاليوم للحصول على مصادر طاقة أصغر وأخف وزنًا وأكثر برودة وأكثر موثوقية.