Teknologi med bredt båndgab til maksimering af effektivitet og effekttæthed i LED-belysning til høj spænding

LED-belysning til høj spænding har vist sig at være en levedygtig erstatning for tidligere teknologier såsom HID-belysning (High-Intensity-Discharge). Med vedtagelsen af LED-belysning til høj spænding skyndte mange producenter sig at producere og implementere disse i en række forskellige applikationer. Selv om der var en betydelig stigning i lyskvalitet og effekttæthed, er effektiviteten blevet et vigtigt aspekt at tage fat på. I de tidlige anvendelser var der også en langt højere fejlprocent end forventet. Den største udfordring for LED-belysning til høj spænding er fortsat at øge effekttætheden og effektiviteten samt at gøre den pålidelig og mere overkommelig for fremtidige anvendelser. I denne artikel vil vi beskæftige os med teknologi med bredt båndgab (GaN) og med, hvordan den kan løse udfordringen med effektivitet og effekttæthed i forbindelse med LED-belysning til høj spænding. Denne diskussion vil vise, hvordan teknologi med bredt båndgab kan bruges til at maksimere effektiviteten og effekttætheden med fokus på buck-delen af LED-driver-arkitekturen, der er vist i figur 1.

GaN-halvledere med bredt båndgab kan fungere ved højere koblingsfrekvenser sammenlignet med konventionelle halvledere som f.eks. silicium. Materialer med bredt båndgab kræver en større mængde energi for at få en elektron til at springe fra toppen af valensbåndet til bunden af ledningsbåndet, hvor den kan bruges i kredsløbet. En forøgelse af bandgapet har derfor stor betydning for en enhed (og gør det muligt at udføre det samme arbejde med en mindre matrice). Materialer som galliumnitrid (GaN), der har et større båndgab, kan modstå stærkere elektriske felter. De kritiske egenskaber, som materialer med bredt båndgab har, er høje hastigheder for frie elektroner og højere elektronfelttæthed. Disse nøgleegenskaber gør GaN-switche op til 10 gange hurtigere og betydeligt mindre, samtidig med at de har samme modstand og nedbrydningsspænding som en tilsvarende siliciumkomponent. GaN er perfekt til LED-belysning til høj spænding, da disse nøgleegenskaber gør det ideelt til implementering i fremtidige belysningsapplikationer.

Figur 1: Systemarkitektur af en ikke-isoleret LED-driver med høj effekt. (Billedkilde: STMicroelectronics)

Figur 1 viser en arkitektur på højt niveau af en applikation til LED-belysning, der skal tjene som et grundlæggende eksempel på anvendelse af GaN-teknologi med bred båndgab. Selv om materialer med bredt båndgab kan implementeres i hele applikationen, vil højspændingsstrømgeneratoren buck, fremhævet med grønt, være i fokus for at udnytte teknologi med bredt båndgab til at maksimere effektivitet og effekttæthed. De fleste belysningsapplikationer kræver høj effektfaktor og lav harmonisk forvrængning over et bredt AC-område. I dette tilfælde er det at foretrække at implementere en PFC boost for at give en ren 400 V_DC-indgang til LED-driveren og opfylde kravene til strømkvalitet. Der er flere muligheder for en front-end PFC boost-konverter; overgangsmodus (TM), kontinuerlig ledningstilstand (CCM) og andre. Overgangstilstanden er kendetegnet ved variabel frekvensdrift og nulstrømskobling ved tænding af power MOSFET'en. Andre fordele er det enkle design, den lille induktor og ingen omvendt genopretning af boost-dioden. De største udfordringer er høj spids- og RMS-indgangsstrøm, hvilket også resulterer i et større EMI-filter, efterhånden som effekten stiger. CCM giver i stedet drift med fast frekvens. Boost-induktorstrømmen har altid en gennemsnitskomponent, ud over nær nulpunktet. Induktoren er designet til 20 - 30 % ripple, hvilket resulterer i et mindre EMI-filter sammenlignet med TM-drift. Dette betyder også en større boost-induktor og et mindre EMI-filter for den samme udgangseffekt sammenlignet med TM-drift. De største udfordringer er en mere kompleks styring og behovet for en ultrahurtig soft recovery-diode eller SiC-diode. Derfor er CCM PFC generelt dyrere end en TM PFC. Ideelt set kan der anvendes en switch med nul omvendt genopretning i stedet for ensretningsdioden i CCM PFC'er. Dette gør GaN-transistorer til meget gode kandidater til denne anvendelse.

Isolation er valgfri og kan indføres mellem indgangstrin og andet trin af effektkonverteringen. I dette eksempel anvendes der ikke isolering, og indgangs PFC-trinet efterfølges af et ikke-isoleret omvendt buck-trin med CC/CV-kontrol. I de tilfælde, hvor der er behov for isolation, kan der anvendes en resonant strømkonverter (LLC, LCC) eller en flyback-konverter afhængigt af applikationens krav til udgangseffekt.

PFC-boostkonverteren genererer en reguleret DC-busspænding på sin udgang (højere end toppen af den indgående vekselspænding) og sender denne højere DC-busspænding videre til det inverterede buck-konvertertrin. Stepdown-operationen er ganske enkel. Når kontakten i buck-systemet er tændt, er spændingen i induktoren forskellen mellem indgangs- og udgangsspændingerne (V_IN – V_OUT). Når kontakten er slukket, ensretter fritløbsdiode strømmen, og spændingen i induktoren er den samme som udgangsspændingen.

MasterGaN SiP (System in Package) til LED-drivere

Sammen med effekttæthed og effektivitet er kompleksiteten i designet en vigtig udfordring for applikationer til høj spænding. Ved brug af halvledere med bredt båndgab som GaN kan kredsløbets effekttæthed og effektivitet øges. ST's MasterGaN-familie løser denne udfordring ved at kombinere højspændings smart-power BCD-proces gate-drivere med højspændings GaN-transistorer i en enkelt pakke. MasterGaN gør det muligt at implementere den topologi, der er vist i figur 1, på en nem måde. Den indlejrer to 650 V GaN HEMT-transistorer i halvbrokonfiguration samt gate-driverne. I dette eksempel er hele buck-effekttrinnet integreret i en enkelt QFN 9x9 mm QFN-pakning, hvilket kræver et minimalt antal eksterne komponenter. Selv bootstrap-dioden, der typisk er nødvendig for at forsyne den isolerede højspændingsdel af en dobbelt halvbro gate-driver med høj/lav side, er integreret i SiP. Følgelig kan effekttætheden i en applikation, der anvender en MasterGAN-enhed, øges dramatisk sammenlignet med en standard siliciumløsning, samtidig med at koblingsfrekvensen eller effekten øges. Mere specifikt blev der i denne LED-driverapplikation opnået en reduktion på 30 % af PCB-arealet, og der blev ikke brugt nogen køleplader.

For applikationer til LED-belysningsapplikationer med høj effekt er CCM den bedste driftstilstand at bruge. Ved implementering af CCM med GaN-enheder vil der være de tidligere omtalte fordele på højt niveau samt en reduceret pris. Der vil ikke være behov for meget lave R_DSON-værdier for at kunne betjene højkapacitetsapplikationer på grund af det reducerede bidrag fra koblingstab til det samlede effekttab. GaN afhjælper også en stor ulempe ved brug af CCM ved at eliminere genopretningstab og reduceret EMI, da GaN ikke oplever nogen omvendt genopretning. CCM-drift med styring af fast slukketid gør det også meget nemt at kompensere for udgangsstrømmens ripple-afhængighed af V_OUT. Det er klart, at GaN-switch implementering ved hjælp af CCM er en fantastisk kombination til LED-belysning til høj spænding og mange andre.

Det grundlæggende skema for en omvendt Buck-topologi er vist i figur 2 sammen med en implementering, der anvender MASTERGAN4.

Figur 2: omvendt Buck-topologi implementeret med MASTERGAN4. (Billedkilde: STMicroelectronics)

MASTERGAN4 indeholder to 225 mΩ (typisk ved 25 °C) 650 V GaN-transistorer i halvbro-konfiguration, en dedikeret halvbro gate-driver og bootstrap-dioden. Dette høje integrationsniveau forenkler designet og minimerer PCB-arealet i en lille 9x9 mm QFN-pakning. Evalueringskortet, der er vist i figur 3, blev designet med MASTERGAN4 i en omvendt buck-topologi og har følgende specifikationer: Den accepterer op til 450 V input, LED-kædens udgangsspænding kan indstilles mellem 100 V og 370 V, som fungerer i FOT CCM (Fixed Off Time) med en koblingsfrekvens på 70 kHz og den maksimale udgangsstrøm er 1 A.

Figur 3: Eksempel på invers Buck-demo med MASTERGaN4. (Billedkilde: STMicroelectronics)

Controlleren i denne løsning, HVLED002, bruges til at generere et enkelt PWM-styresignal. Et eksternt kredsløb baseret på simple Schmitt-triggere bruges derefter til at generere to komplementære signaler til at drive GaN-transistorerne på lav/høj side med en passende dødtid. Der er også to lineære regulatorer til at generere de forsyningsspændinger, som MASTERGAN4 har brug for. Den omvendte buck-topologi, der er implementeret med MASTERGAN4, skaber en løsning til øget effekttæthed og effektivitet, men lad resultaterne nedenfor tale for sig selv.

Eksperimentelle resultater:

Effektivitetsdiagrammerne i figur 4 viser fordelene ved den foreslåede løsning i forhold til en traditionel siliciumløsning som en funktion af LED-kæde spændingen for udgangsstrømme på 0,5 A og 1 A.

Figur 4: Virkningsgrad i forhold til LED-spænding for MasterGaN- og silicium-MOSFET. (Billedkilde: STMicroelectronics)

MASTERGAN4's effektivitet ligger på eller over 96,8 % i hele spændingsområdet for LED-kæden. Det er muligt at observere, at på alle effektniveauer er effektivitetsforøgelsen maksimeret takket være de lave ledningstab samt GaN-løsningens minimale køre- og koblingstab.

Tabel 1: Sammenligning af størrelse af GaN- og silicium-MOSFET

I tabel 1 sammenlignes silikoneløsningen med den MASTERGAN4-baserede løsning. Som det kan ses, er der en samlet reduktion af PCB-arealet på mere end 30 % med GaN-designimplementeringen. Resultaterne viser en vej, der kan tages med GaN i denne omvendte buck-topologi. Ved at øge koblingsfrekvensen til over 70 kHz kan man reducere størrelsen af udgangsinduktor og kondensator på bekostning af højere køre- og koblingstab. Ved en højere frekvens og mindre filterstørrelse kan elektrolytkondensatorer erstattes af mere pålidelige og større keramiske kondensatorer. Afvejningen mellem filterkondensatorens og buck-induktorens størrelse kan optimeres på baggrund af den koblingsfrekvens, der kræves af målapplikationen.

Konklusioner

Denne artikel omhandler implementeringen af en omvendt buck-topologi til applikationer til LED-belysnings baseret på MASTERGAN4. Systemet i pakkekonfiguration har 650 V, 225 mΩ GaN-transistorer i halvbrokonfiguration og dedikerede gate-drivere. GaN-løsningen i forhold til silicium viser højere effektivitet og mindre PCB-areal. MasterGaN er den ideelle løsning til en kompakt, høj effektivitet og høj effekt i en invers buck-implementering til belysningsapplikationer.