Teknik med brett bandgap för att maximera verkningsgrad och effekttäthet i LED-belysning för högspänning

LED-belysning för högspänning har visat sig vara en gångbar ersättning för tidigare tekniker, t.ex. högintensiv urladdningsbelysning (HID). I och med antagandet av LED-belysning för högspänning har många tillverkare skyndat sig att producera och implementera den i en mängd olika tillämpningar. Även om ljuskvaliteten och effekttätheten ökade avsevärt har verkningsgraden blivit en viktig aspekt att hantera. I tidiga tillämpningar var felfrekvensen även mycket högre än förväntat. Den största utmaningen för LED-belysningar för högspänning är att fortsätta att öka effekttätheten och verkningsgraden samtidigt som den blir tillförlitligare och mer prisvärd för framtida tillämpningar. I artikeln kommer GaN-teknik (brett bandgap) att avhandlas och hur den kan hantera utmaningarna med verkningsgrad och effekttäthet i LED-belysningar för högspänning. Diskussionen kommer att visa hur teknik med brett bandgap kan användas för att maximera verkningsgraden och effekttätheten, med fokus på buck-delen av LED-drivkretsens arkitektur enligt vad som visas i figur 1.

Halvledare med brett bandgap (GaN) kan arbeta vid högre switchningsfrekvenser än konventionella halvledare som kisel. Material med brett bandgap kräver en högre energimängd för att excitera en elektron så att den hoppar från toppen av valensbandet till botten av ledningsbandet där den kan användas i kretsen. En ökning av bandgapet har därför en stor inverkan på en enhet (och gör det möjligt att göra samma sak med en mindre kretsplatta). Material som galliumnitrid (GaN) som har ett större bandgap kan motstå starkare elektriska fält. Kritiska egenskaper som material med brett bandgap har är hög hastighet för fria elektroner och högre elektronfältstäthet. Dessa viktiga egenskaper gör GaN-switchar upp till 10 gånger snabbare och betydligt mindre, samtidigt som de har samma motstånd och genombrottsspänning som en liknande kiselkomponent. GaN är perfekt för LED-tillämpningar för högspänning, eftersom dessa viktiga egenskaper gör materialet perfekt för implementering i framtida belysningstillämpningar.

Figur 1: Systemarkitektur i en icke-isolerad LED-drivkrets för hög effekt. (Bildkälla: STMicroelectronics)

Figur 1 visar en arkitektur på hög nivå för en LED-belysningstillämpning som kommer att fungera som ett grundläggande exempel på tillämpning av GaN-teknik med brett bandgap. Även om material med brett bandgap kan användas i hela tillämpningen kommer högspänningsgeneratorns buck, markerad med grönt, att vara i fokus för att utnyttja tekniken med brett bandgap för att maximera verkningsgrad och effekttäthet. De flesta belysningstillämpningar kräver hög effektfaktor och låg harmonisk distorsion i ett brett växelspänningsområde. I det här fallet är det lämpligt att införa en PFC-boost för att ge en ren 400 V_DC-ingång för LED-drivkretsen och uppfylla kraven på strömkvalitet. Det finns flera alternativ för en PFC-boostomvandlare i front end, övergångsläge (TM), kontinuerligt ledningsläge (CCM) och andra. Övergångsläget kännetecknas av drift med variabel frekvens och nollströmsomkoppling vid tillslag av effekt-MOSFET:en. Andra fördelar är enkel konstruktion, liten induktorstorlek och ingen omvänd återställning av förstärkningsdioden. De största utmaningarna är hög topp- och RMS-ingångsström, vilket även resulterar i ett större EMI-filter när effekten ökar. CCM ger i stället fast frekvensdrift. Boost-induktorns ström har alltid en genomsnittlig komponent, förutom nära punkterna för nollströmsomkoppling. Induktorn är konstruerad för 20-30 % rippel, vilket medför ett mindre EMI-filter jämfört med TM-drift. Det innebär även en större boost-induktor och ett mindre EMI-filter för samma uteffekt jämfört med TM-drift. De största utmaningarna är en mer komplicerad styrning och behovet av en extremt snabb mjuk återhämtningsdiod eller SiC-diod. Följaktligen är CCM PFC i allmänhet dyrare än TM PFC. I idealfallet kan en switch med nollåterställning i omvänd riktning användas i stället för likriktningsdioden i CCM PFC:er. Detta gör GaN-transistorer till mycket bra kandidater för denna tillämpning.

Isolering är valfritt och kan införas mellan ingångssteget och det andra effektomvandlingssteget. I det här exemplet används ingen isolering och det ingående PFC-steget följs av ett icke-isolerat omvänt buck-steg med CC/CV-styrning. I de fall då isolering behövs kan en resonansomvandlare (LLC, LCC) eller en flyback-omvandlare användas beroende på tillämpningens krav på uteffekt.

PFC-boostomvandlaren genererar en reglerad DC-busspänning på sin utgång (högre än toppvärdet av den inmatade växelspänningen) och överför denna högre DC-busspänning till det inverterade buck-omvandlarsteget. Stepdown-operationen är ganska enkel. När switchen i buck-strömmen är på är spänningen över induktorn skillnaden mellan in- och utspänningarna V_IN – V_OUT). När switchen är avstängd likriktar fångstdioden strömmen, och spänningen i induktorn är densamma som utspänningen.

MasterGaN-system i kapsling (SiP) för LED-drivkretsar

Förutom effekttäthet och verkningsgrad är komplexiteten i konstruktionen en stor utmaning för belysningstillämpningar för högspänning. Med hjälp av halvledare med brett bandgap som GaN kan kretsens effekttäthet och verkningsgrad ökas. Familjen MasterGaN från ST hanterar den utmaningen genom att kombinera gatedrivkretsar för högspänning med smart power BCD-process med GaN-transistorer för hög spänning i ett enda paket. MasterGaN gör det möjligt att enkelt genomföra den topologi som visas i figur 1. Den innehåller två 650 V GaN HEMT-transistorer i en konfiguration med halvbrygga samt gatedrivkretsar. I exemplet är hela buck-effektsteget integrerat i en enda QFN-kapsling på 9 x 9 mm med ett minimalt antal externa komponenter. Till och med bootstrap-dioden, som vanligtvis behövs för att försörja den isolerade högspänningsdelen av en dubbel gatedrivkrets med halvbrygga för primär-/sekundärsida, är inbäddad i SiP:en. Följaktligen kan effekttätheten i en tillämpning som använder en MasterGAN-enhet ökas drastiskt jämfört med en standardlösning i kisel, samtidigt som switchningsfrekvensen eller uteffekten ökar. I denna tillämpning för en LED-drivkrets minskade kretskortsytan med 30 % och inga kylflänsar användes.

För tillämpningar med LED-belysningar för högspänning är CCM det bästa driftläget att använda. När CCM implementeras med GaN-enheter kommer man att få de fördelar på hög nivå som tidigare diskuterats samt en lägre kostnad. Det finns inget behov av mycket lågt R_DSON för att betjäna tillämpningar med hög effekt på grund av det minskade bidraget från switchningsförlusterna till de totala effektförlusterna. GaN mildrar även en annan stor nackdel med CCM, genom att eliminera återställningsförluster och minska EMI, eftersom GaN inte har någon omvänd återställning. CCM-drift med styrning av fast avstängningstid gör det även mycket enkelt att kompensera utgångsströmmens rippelberoende av V_OUT. Det är uppenbart att GaN-switchning med CCM är en utmärkt kombination för tillämpningar med LED-belysning för högspänning och många andra tillämpningar.

Det grundläggande schemat för en inverterad Buck-topologi visas i figur 2 tillsammans med en implementation som använder MASTERGAN4.

Figur 2: Omvänd Buck-topologi implementerad med MASTERGAN4. (Bildkälla: STMicroelectronics)

MASTERGAN4 innehåller två 225 mΩ (typiskt vid 25 °C) 650 V GaN-transistorer i konfiguration som halvbrygga, en dedikerad drivkrets för halvbryggan och en bootstrap-diod. Denna höga integrationsnivå förenklar konstruktionen och minimerar kretskortsytan i en liten QFN-kapsling på 9 x 9 mm. Utvärderingskortet, som visas i figur 3, konstruerades med MASTERGAN4 i en omvänd buck-topologi och har följande specifikationer: den accepterar en inspänning på upp till 450 V, LED-slingans utspänning kan ställas in mellan 100 och 370 V, den arbetar med FOT-teknik (fast avstängningstid) med en switchningsfrekvens på 70 kHz, den maximala utgångsströmmen är 1 A.

Figur 3: Exempel på demonstration av omvänd Buck-topologi med MASTERGaN4. (Bildkälla: STMicroelectronics)

Styrkretsen i den här lösningen, HVLED002, används för att generera en enda PWM-styrsignal. En extern krets baserad på enkla Schmitt-triggers används sedan för att generera två kompletterande signaler för att driva GaN-transistorerna på primär- och sekundärsidan med en lämplig dödtid. Två linjära regulatorer ingår även för att generera de matningsspänningar som MASTERGAN4 behöver. Den omvända buck-topologin som implementeras med MASTERGAN4 skapar en lösning för ökad effekttäthet och verkningsgrad, men låt resultaten som diskuteras nedan tala för sig själva.

Experimentella resultat:

Diagrammen för verkningsgrad i figur 4 visar fördelarna med den föreslagna lösningen jämfört med en traditionell kisellösning som en funktion av LED-slingans spänning vid utströmmar på 0,5 A och 1 A.

Figur 4, verkningsgrad för LED-spänning för MasterGaN jämfört med MOSFET av kisel. (Bildkälla: STMicroelectronics)

Verkningsgraden för MASTERGAN4 ligger på eller över 96,8 % i hela spänningsområdet för LED-slingan. Det är möjligt att iaktta att ökningen av verkningsgrad maximeras på alla effektnivåer tack vare de låga ledningsförlusterna och de minimala driv- och kopplingsförlusterna i GaN-lösningen.

Tabell 1: Storleksjämförelse mellan GaN- och kisel-MOSFET

Tabell 1 jämför kisellösningen med den MASTERGAN4-baserade lösningen. Som framgår kan man se en minskning av den totala kretskortsytan med mer än 30 % med GaN-designen. Resultaten visar en väg som kan tas med GaN i denna omvända buck-topologi. Om man ökar switchningsfrekvensen till över 70 kHz kan man minska storleken på utgångsinduktorn och kondensatorn på bekostnad av högre driv- och switchningsförluster. Vid högre frekvens och mindre filterstorlek kan elektrolytkondensatorer ersättas med mer tillförlitliga och större keramiska kondensatorer. Avvägningen mellan filterkondensatorn och buck-induktorns storlek kan optimeras utifrån den kopplingsfrekvens som krävs för måltillämpningen.

Sammanfatttning

Artikeln har diskuterat genomförandet av en omvänd buck-topologi för LED-belysningstillämpningar baserad på MASTERGAN4. Systemet i kapslingskonfigurationen har 650 V, 225 mΩ GaN-transistorer i konfiguration som halvbrygga och dedikerade gatedrivkretsar. GaN-lösningen har en högre verkningsgrad och behöver mindre kretskortsyta jämfört med kisel. MasterGaN är den perfekta lösningen för en kompakt, högeffektiv omvänd buck-implementering med hög effekt för belysningstillämpningar.