EFFEKTELEKTRONIK GaN giver gennembrud i offline-effektkonvertering GaN – galliumnitrid – tegner sig for nogle af de mest betydningsfulde fremskridt inden for offline- effektkonvertering siden introduktionen af synkron ensretning. En offline flyback-strømforsyning har nu en effektivitet som LLC- og fuldbrotopologier ved effekter op til 100W. GaN giver designere et effektivt nyt værktøj til udvikling af højeffektive – og priseffektive – løsninger til de nyeste effektivitetsstandarder Af Chris Lee, produktmarketingchef, Power Integrations En konventionel højeffektiv siliciumbaseret flyback-kon- verter kan levere en konver- teringseffektivitet på nær 93,5 procent. Erstatter man siliciet med en egnet GaN-switch, så øges effektiviteten til 94,5 pro- cent. En procent lyder måske ikke af meget – men det er det. En procents effektivitetsfor- bedring svarer til 18 procents reduktion af spildvarmen, så man måske kan undvære en køleplade. Designeren kan måske også mindske størrel- sen af strømforsyningen, lige- som pålideligheden øges med de faldende komponenttem- peraturer. GaN-komponenter er desuden mere robuste end siliciumalternativerne, hvilket igen løfter pålideligheden. De totale tab i en halvleder- switch er en kombination af R DS(on) -ledetabene, swit- chovergangstabene og de kapacitive switchtab. Forhol- det mellem R DS(on) og switch- tabene er, at R DS(on) er om- vendt proportional med stør- relsen, og switchtabene er direkte proportionale med størrelsen. Wide-bandgap-materialer som GaN har generelt meget lavere switchtab og R DS(on) end silicium for en given størrelse. De grundlæggende mindre tab er et resultat er de fun- damentalt forskellige fysiske egenskaber i ledekanalen for GaN og Si. En mindre GaN- komponent kan derfor levere Sammenligning af 65W, 20V-adapters – konventionel 650V lateral MOSFET i forhold til PowiGaN-løsninger. 14 nr. 7 | juni 2021 - GaN har mindre switchtab og lavere ledetab end Si-komponenter. den samme effekt som en større Si-komponent. GaN har desuden mindre parasiti- ske kapacitanser, så de igen kræver mindre effekt at styre. Switchovergangstabene (tid for skift af ladningstilstand) er også betydeligt mindre, da GaN-komponenter typisk switcher meget hurtigt. Switchfrekvens – er mere altid bedre? Reducerede switchtab for hver overgang betyder, at en GaN-transistor kan switches ved langt højere frekvenser end konventionelle silicium- komponenter for en given mængde tab. Selv om højere frekvenser som regel altid er mulige, er det ikke altid den bedste udnyttelse af GaN- teknologiens fordele. Den op- timale switchfrekvens er ofte betydeligt mindre end den maksimalt mulige switchfre- kvens. Transformerstørrelsen er omvendt proportional med switchfrekvensen. Højere frekvenser giver mindre flux- tæthed og dermed mindre switchtid. Designeren kan bruge det trade-off til at an- vende et mindre transformer- tværsnit og færre viklinger. Men der er andre faktorer at overveje. Isolationsspænding og krybeafstande er et fast krav, og tråddiametrene i vik- lingerne skal måske endda gøres større ved højere fre- kvenser på grund af nærhed til- og skin-effekterne i selve lederne. Højere frekvenser øger også energitabene i det primære snubberkredsløb. For at opret- holde effektiviteten ved høje frekvenser skal den energi re- genereres med sofistikerede aktive clamping-kredsløb. Ak- tiv clamping er effektiv, men giver også flere komponenter og øger både størrelse og pris for designet. Endelig kommer der også mere støj til i form af switch- harmoniske, når frekvensen øges. Det kan give behov for større støjfiltre med deraf føl- gende større effekttab. Ved en given grænse vil de negative effekter af de højere drifts- frekvenser opveje de fordele, der ligger i at kunne vælge en mindre transformer. Den optimale switchfrekvens afhænger af flere faktorer i re- lation til specifikke designmål. I mange tilfælde ligger den bedste og mest kosteffektive switchfrekvens for et GaN- baseret flyback AC/DC-forsy- ningsdesign under 100kHz. GaN-økonomi kan godt være (lidt) kompliceret GaN-switche er ret nye inden for effektelektronikken, så de har endnu ikke opnået forde- lene ved storskalaøkonomi, da teknikken fortsat modnes. Silicium har omvendt været massefremstillet i over 50 år med løbende forbedringer. På nuværende tidspunkt er der ingen teknisk grund til pris- forskelle mellem GaN og Si, og udviklingen vil uden tvivl mindske afstanden mellem prisen på de to teknologier. Som nævnt er GaN-kompo- nenter langt mindre end tilsva- rende Si-typer, men funktioner som bond-pads og guard-ring strukturer kan ikke nedskaleres på samme måde. Selv om GaN- dies bliver mindre, vil de andre aktive dele af en chipkapsling forblive forholdsmæssigt uæn- drede, så footprintfordelene bag GaN reduceres. Sweet- spot for GaN i offline flyback- konvertere i dag ligger mellem 15W og 100W. Der er færre GaN-forsyninger i produktion ved effekter under 10W. På systemniveau vil GaN-base- rede offline flyback-konvertere være billigere end deres Si- modstykker. Den højere kon- verteringseffektivitet elimine- rer en række kølefunktioner og dermed også størrelsen – hvil- ket igen fører til en reduktion af udgifter til print og kapsling. I kompakte designs er de GaN- baserede apparater allerede ganske konkurrencedygtige. GaN er et forholdsmæssigt nyt materiale og ingeniører pusler fortsat med at tilpasse
Download PDF fil
Cookiepolitik
Se arkivet med udgivelser af Aktuel Elektronik her
TechMedias mange andre fagblade kan læses her