Brede-bandklooftechnologie voor maximale efficiëntie en vermogensdichtheid in hoogspannings-LED-verlichting

Hoogspannings-LED-verlichting heeft bewezen een levensvatbare vervanging te zijn voor vroegere technologieën zoals HID-verlichting (High Intensity Discharge). Met de goedkeuring van hoogspannings-LED-verlichting hebben veel fabrikanten zich gehaast in de productie en implementatie in een verscheidenheid van toepassingen. Hoewel de lichtkwaliteit en de vermogensdichtheid aanzienlijk zijn verbeterd, is efficiëntie een belangrijk aspect geworden. Ook was het aantal mislukkingen bij vroege toepassingen veel hoger dan verwacht. De belangrijkste uitdaging van hoogspannings-LED-verlichting is de vermogensdichtheid en de efficiëntie te blijven verhogen en de verlichting betrouwbaar en betaalbaarder te maken voor toekomstige toepassingen. In dit artikel wordt ingegaan op de GaN-technologie (brede bandkloof) en hoe deze de uitdaging van efficiëntie en vermogensdichtheid voor hoogspannings-LED-verlichting kan aangaan. Deze bespreking zal aantonen hoe technologie met brede bandgap kan worden gebruikt om de efficiëntie en vermogensdichtheid te maximaliseren, met de nadruk op het buck-gedeelte van de LED-driverarchitectuur in Afbeelding 1.

Brede-bandkloofhalfgeleiders (GaN) kunnen werken bij hogere schakelfrequenties in vergelijking met conventionele halfgeleiders zoals silicium. Materialen met een brede bandkloof vereisen een grotere hoeveelheid energie om een elektron te doen overspringen van de top van de valentieband naar de bodem van de geleidingsband waar het in de schakeling kan worden gebruikt. Het vergroten van de bandkloof heeft dus een grote invloed op een apparaat (en maakt een kleinere matrijsgrootte mogelijk om hetzelfde werk te doen). Materialen zoals galliumnitride (GaN) met een grotere bandkloof zijn bestand tegen sterkere elektrische velden. Kritische eigenschappen van materialen met brede bandgap zijn hoge vrije-elektronensnelheden en hogere elektronvelddichtheid. Deze belangrijke eigenschappen maken GaN-schakelaars tot 10 keer sneller en aanzienlijk kleiner bij dezelfde weerstand en doorslagspanning als een vergelijkbare siliciumcomponent. GaN is perfect voor hoogspannings-LED-toepassingen, aangezien deze belangrijke eigenschappen het ideaal maken voor toepassing in toekomstige verlichtingstoepassingen.

Afbeelding 1: Systeemarchitectuur van een niet-geïsoleerde hoogvermogen LED-driver. (Bron afbeelding: STMicroelectronics)

Afbeelding 1 toont een architectuur op hoog niveau van een LED-verlichtingstoepassing die zal dienen als basisvoorbeeld voor de toepassing van GaN-breedbandklooftechnologie. Hoewel brede bandkloof materialen kunnen worden toegepast in de gehele toepassing, zal de hoogspanningsstroomgenerator buck, gemarkeerd in groen, de focus zijn om gebruik te maken van brede bandkloof technologie voor het maximaliseren van efficiëntie en vermogensdichtheid. De meeste verlichtingstoepassingen vereisen een hoge vermogensfactor en een lage harmonische vervorming over een breed AC-ingangsspanningsbereik. In dit geval verdient het de voorkeur om een PFC boost te implementeren om een schone 400 V_DC-ingang voor de LED-driver te leveren en aan de vereisten voor de stroomkwaliteit te voldoen. Er zijn verschillende opties voor een PFC-boostconvertor aan de voorkant: transitiemodus (TM), continue geleidingsmodus (CCM) en andere. De overgangsmodus wordt gekenmerkt door een variabele frequentie en nulstroomschakeling bij het inschakelen van de vermogens-MOSFET. Andere voordelen zijn het eenvoudige ontwerp, de kleine inductor en het feit dat de boostdiode niet terugveert. De belangrijkste uitdagingen zijn de hoge piek- en RMS-ingangsstroom, wat ook resulteert in een groter EMI-filter naarmate het vermogen toeneemt. CCM, in plaats daarvan, zorgt voor werking met vaste frequentie. De boost inductor stroom heeft altijd een gemiddelde component, naast bijna nuldoorgangspunten. De spoel is ontworpen voor 20-30% rimpel, wat resulteert in een kleiner EMI-filter vergeleken met TM-werking. Dit betekent ook een grotere boost-inductor en een kleiner EMI-filter voor hetzelfde uitgangsvermogen in vergelijking met TM-werking. De belangrijkste uitdagingen zijn een complexere regeling en de behoefte aan een ultrasnelle soft recovery diode of SiC diode. Bijgevolg is de CCM PFC over het algemeen duurder dan een TM PFC. Idealiter kan in CCM-PFC's een nul-terugwinningsschakelaar worden gebruikt in plaats van de gelijkrichtende diode. Dit maakt GaN-transistors zeer goede kandidaten voor deze toepassing.

Isolatie is optioneel en kan worden aangebracht tussen de ingangstrap en de tweede trap van de vermogensomzetting. In dit voorbeeld wordt geen isolatie gebruikt, en wordt de input PFC trap gevolgd door een niet-geïsoleerde inverse buck trap met CC/CV-regeling. In de gevallen waarin isolatie nodig is, kan een resonante vermogensconvertor (LLC, LCC) of een flybackconvertor worden gebruikt, afhankelijk van het uitgangsvermogen dat voor de toepassing vereist is.

De PFC-boostconvertor genereert een geregelde DC-busspanning aan zijn uitgang (hoger dan de piek van de ingangswisselspanning) en geeft deze hogere DC busspanning door aan de inverted buck converter trap. De stepdown-operatie is vrij eenvoudig. Wanneer de schakelaar in de buck aan staat, is de inductorspanning het verschil tussen de ingangs- en uitgangsspanning (V_IN - V_OUT). Als de schakelaar uit staat, gelijkricht de vangdiode de stroom en is de spanning van de spoel gelijk aan de uitgangsspanning.

MasterGaN system in package (SiP) voor LED-drivers

Naast vermogensdichtheid en efficiëntie is een belangrijke uitdaging voor hoogspanningsverlichtingstoepassingen de complexiteit van het ontwerp. Door het gebruik van halfgeleiders met brede bandgap, zoals GaN, kunnen de vermogensdichtheid en de efficiëntie van de schakeling worden verhoogd. ST's MasterGaN-familie pakt die uitdaging aan door de hoogspannings smart-power BCD-procespoortdrivers te combineren met hoogspannings GaN-transistors in één pakket. MasterGaN maakt een eenvoudige implementatie van de in Afbeelding 1 getoonde topologie mogelijk. Hij bevat twee GaN HEMT-transistors van 650 V in halfbrugconfiguratie, alsmede de gatedrivers. In dit voorbeeld is de volledige buckeindtrap geïntegreerd in een enkele QFN 9x9 mm behuizing, waardoor het aantal externe componenten minimaal is. Zelfs de bootstrap-diode, die gewoonlijk nodig is om het geïsoleerde hoogspanningsgedeelte van een dubbele, high-side/low-side, halfbrigde-gatedriver te voeden, is in de SiP ingebouwd. Bijgevolg kan de vermogensdichtheid van een toepassing die gebruik maakt van een MasterGAN-apparaat drastisch worden verhoogd in vergelijking met een standaard siliciumoplossing, terwijl de schakelfrequentie of het uitgangsvermogen wordt verhoogd. Meer specifiek werd in deze LED-driver-toepassing een vermindering van 30% van het PCB-oppervlak bereikt en werden geen koellichamen gebruikt.

Voor LED-verlichtingstoepassingen met een hoog vermogen is CCM de beste bedrijfsmodus om te gebruiken. Wanneer CCM met GaN-apparatuur wordt toegepast, zijn er de eerder besproken voordelen op hoog niveau en de lagere kosten. Een zeer lage R_DSON zou niet nodig zijn voor toepassingen met een hoog vermogen, omdat het schakelverlies minder bijdraagt tot het totale vermogensverlies. GaN vermindert ook een belangrijk nadeel van het gebruik van CCM door het elimineren van terugwinningsverliezen en verminderde EMI, aangezien GaN geen omgekeerde terugwinning kent. De CCM-werking met vaste uitschakeltijdregeling maakt ook de compensatie van de van V_OUT afhankelijke uitgangsstroomrimpel zeer eenvoudig. Het is duidelijk dat de implementatie van GaN-schakelaars met behulp van CCM een geweldige combinatie vormt voor hoogspannings-LED-verlichtingstoepassingen, en ook voor vele andere.

Het basisschema van een omgekeerde bucktopologie wordt getoond in Afbeelding 2, samen met een implementatie die gebruik maakt van de MASTERGAN4.

Afbeelding 2: Omgekeerde bucktopologie geïmplementeerd met MASTERGAN4. (Bron afbeelding: STMicroelectronics)

MASTERGAN4 bevat twee GaN-transistors van 225 mΩ (typisch bij 25°C) 650 V in halfbridgeconfiguratie, een speciale halfbridge-gatedriver en de bootstrap-diode. Deze hoge mate van integratie vereenvoudigt het ontwerp en minimaliseert het PCB-oppervlak in een kleine 9x9 mm QFN-verpakking. Het evaluatiebord dat is afgebeeld in Afbeelding 3, is ontworpen met de MASTERGAN4 in een omgekeerde bucktopologie met de volgende specificaties: het accepteert een ingangsspanning tot 450 V, de uitgangsspanning van de LED-string kan worden ingesteld tussen 100 V en 370 V; het werkt in Fixed Off Time (FOT) CCM met een schakelfrequentie van 70 kHz; de maximale uitgangsstroom is 1 A.

Afbeelding 3: Voorbeeld van omgekeerde buckdemo met MASTERGaN4. (Bron afbeelding: STMicroelectronics)

De regelaar in deze oplossing, de HVLED002, wordt gebruikt om een enkel PWM-besturingssignaal te genereren. Een externe schakeling op basis van eenvoudige Schmitt-triggers wordt dan gebruikt om twee complementaire signalen op te wekken om de lage zijde en de hoge zijde GaN-transistors met een geschikte dode tijd aan te drijven. Er zijn ook twee lineaire regulators om de voedingsspanningen te genereren die de MASTERGAN4 nodig heeft. De omgekeerde bucktopologie die met MASTERGAN4 is geïmplementeerd, creëert een oplossing voor een hogere vermogensdichtheid en efficiëntie, maar laat de hieronder besproken resultaten voor zichzelf spreken.

Experimentele resultaten:

De efficiëntiegrafieken in figuur 4 tonen de voordelen van de voorgestelde oplossing ten opzichte van een traditionele siliciumoplossing als functie van de spanning van de LED string voor uitgangsstromen van 0,5 A en 1 A.

Afbeelding 4: Rendement vs. LED-spanning voor MasterGaN en Silicon MOSFET. (Bron afbeelding: STMicroelectronics)

De efficiëntie van MASTERGAN4 blijft op of boven 96,8% over het gehele spanningsbereik van de LED string. Het is mogelijk vast te stellen dat over alle vermogensniveaus de efficiëntiewinst wordt gemaximaliseerd dankzij de lage geleidingsverliezen en de minimale aandrijf- en schakelverliezen van de GaN-oplossing.

Tabel 1: Vergelijking van de afmetingen voor GaN en Silicium MOSFET

In tabel 1 wordt de siliciumoplossing vergeleken met de op MASTERGAN4 gebaseerde oplossing. Zoals men kan zien, is het totale PCB-oppervlak met de GaN-ontwerpimplementatie met meer dan 30% verminderd. De resultaten tonen één weg die kan worden bewandeld met GaN in deze omgekeerde bucktopologie. Verhoging van de schakelfrequentie boven 70 kHz kan de omvang van de uitgangsinductor en -condensator doen afnemen ten koste van hogere aandrijf- en schakelverliezen. Bij een hogere frequentie en een kleinere filtergrootte kunnen elektrolytische condensators worden vervangen door betrouwbaardere en grotere keramische condensators. De afweging tussen de grootte van de filtercondensator en de buckinductor kan worden geoptimaliseerd op basis van de schakelfrequentie die vereist is voor de beoogde toepassing.

Conclusies

Dit artikel behandelt de implementatie van een omgekeerde bucktopologie voor LED-verlichtingstoepassingen op basis van MASTERGAN4. Het systeem in pakketconfiguratie heeft GaN-transistors van 650 V, 225 mΩ in halfbridge-configuratie en speciale gatedrivers. De GaN-oplossing in vergelijking met silicium vertoont een hoger rendement en een kleiner printplaatoppervlak. MasterGaN is de ideale oplossing voor een compacte, hoog rendement en hoog vermogen omgekeerde buckimplementatie voor verlichtingstoepassingen.