A nagyfeszültségű LED-es világítás hatásfokának és fajlagos teljesítményének maximálisra növelése széles tiltott sávú technika használatával

A nagyfeszültségű LED-es világítás alkalmasnak bizonyult a korábbi technikák, például a nagy fényerejű gázkisüléses (HID) világítás felváltására. A nagyfeszültségű LED-es világítás elfogadásával sok gyártó állt át sietve számos különböző felhasználási területen ennek a gyártására és használatára. Miközben a fényminőség és a fajlagos teljesítmény jelentősen javult, a hatásfok is fontos szempont lett. Ezenkívül a korai készülékeknél a vártnál jóval magasabb volt a hibaszázalék. A nagyfeszültségű LED-es világítás legnagyobb problémája a fajlagos teljesítmény és a hatásfok további növelése, valamint a megbízhatóság javítása és a megfizethetőbbé tétel a jövőbeli készülékekben való felhasználáshoz. Ebben a cikkben a széles tiltott sávú gallium-nitrides (GaN) technikáról lesz szó, és arról, hogy hogyan oldhatja ez meg a nagyfeszültségű LED-es világítás hatásfokkal és fajlagos teljesítménnyel kapcsolatos problémáit. Ez az értekezés azt mutatja be, hogy hogyan használható a széles tiltott sávú technika a hatásfok és a fajlagos teljesítmény maximálisra növelésére, különös hangsúlyt fektetve az 1. ábrán látható LED-meghajtó architektúra feszültségcsökkentő átalakítójára.

A széles tiltott sávú (GaN) félvezetők a hagyományos félvezetőkhöz, például a szilíciumhoz képest magasabb kapcsolási frekvencián is képesek működni. A széles tiltott sávú anyagok nagyobb energiát igényelnek egy elektron gerjesztéséhez, hogy az a valenciasáv tetejéről a vezetési sáv aljára ugorjon, ahol felhasználható az áramkörben. A tiltott sáv növelése tehát nagy hatással van az eszközre (és kisebb méretű félvezetőszelet használatát teszi lehetővé ugyanahhoz a feladathoz). Az olyan anyagok, amelyeknek nagyobb a tiltott sávjuk – mint például a gallium-nitrid (GaN) –, erősebb villamos erőtereket is elviselnek. A széles tiltott sávú anyagok kritikus tulajdonságai a nagy szabadelektron-sebesség és a nagyobb elektronmező-sűrűség. Ezeknek a kulcsfontosságú tulajdonságok köszönhetően a GaN kapcsolók egy hasonló szilícium alkatrészével azonos ellenállás és átütési feszültség esetén akár 10-szer gyorsabbak és jelentősen kisebb méretűek lehetnek. A GaN tökéletes a nagyfeszültségű LED-es készülékekhez, mert ezek a kulcsfontosságú tulajdonságok ideálissá teszik a jövő világítási rendszereiben való használatra.

1. ábra: Egy nem leválasztott, nagy teljesítményű LED-meghajtó rendszer felépítése (kép: STMicroelectronics)

Az 1. ábra egy olyan LED-es világítási rendszer magas szintű felépítését mutatja be, amely a GaN-alapú széles tiltott sávú technika használatának kiindulási példájaként szolgál. Bár a széles tiltott sávú anyagok szerte az egész felhasználási területen használhatók, a széles tiltott sávú technikának a hatásfok és a fajlagos teljesítmény maximálisra növelése céljából való kihasználásához a nagyfeszültségű áramgenerátor feszültségcsökkentő átalakítóján (zöld színnel kiemelve) lesz a legnagyobb hangsúly. A legtöbb világítási rendszer széles bemeneti váltakozófeszültség-tartományban nagy teljesítménytényezőt és kis harmonikus torzítást igényel. Ebben az esetben előnyös egy teljesítménytényező-javítót (PFC boost) használni, hogy tiszta 400 V_DC bemenő egyenfeszültséget biztosítson a LED-meghajtó számára, és megfeleljen az áramellátás minőségére vonatkozó követelményeknek. A bemeneti teljesítménytényező-javító (PFC) feszültségnövelő átalakítóknak többféle üzemmódjuk van: átmeneti üzemmód (TM), folyamatos vezetésű üzemmód (CCM) és mások. Az átmeneti üzemmódot változó frekvenciájú működés és a teljesítmény-MOSFET nyitásakor nulla áramerősségű kapcsolás jellemzi. További előnye az egyszerű kialakítás, a kis induktivitás és a buszterdióda záróirányú áramának hiánya. A fő kihívást a nagy bemenő csúcs- és effektív áram jelenti, ami a teljesítmény növekedésével egyúttal nagyobb elektromágneseszavar-szűrőt is igényel. A folyamatos vezetésű üzemmód ehelyett állandó frekvenciájú működést biztosít. A feszültségnövelő tekercs áramának mindig van egy átlagos összetevője is a nullátmeneti ponthoz közeliek mellett. A tekercs 20–30%-os búgófeszültségre van tervezve, ami az átmeneti üzemmódban való működéshez képest kisebb elektromágneseszavar-szűrőt tesz szükségessé. Ez egyben ugyanazon kimeneti teljesítmény esetén az átmeneti üzemmódban való működéshez képest nagyobb induktivitású feszültségnövelő tekercset és kisebb elektromágneseszavar-szűrőt jelent. A fő kihívást a bonyolultabb vezérlés és a kis zajú, ultragyors zárású dióda vagy SiC (szilícium-karbon) dióda szükségessége jelenti. Következésképpen a folyamatos vezetésű üzemmódhoz való teljesítménytényező-javító (CCM PFC) általában drágább, mint az átmeneti üzemmódhoz való (TM PFC). Ideális esetben a CCM PFC-kben az egyenirányító dióda helyett használható egy nulla záróirányú áramú kapcsoló. Ez teszi a GaN tranzisztorokat nagyon jó jelöltekké erre a feladatra.

A leválasztás nem kötelező, és beiktatható a bemeneti fokozat és az áramátalakítás második fokozata közé. Ebben a példában nem használunk leválasztást, és a bemeneti teljesítménytényező-javító fokozatot egy nem leválasztott inverteres feszültségcsökkentő fokozat követi állandó áramú/állandó feszültségű (CC/CV) vezérléssel. Azokban az esetekben, amikor leválasztásra van szükség, rezonáns áramátalakító (LLC, LCC) vagy visszafutásos áramátalakító használható a készülék kimeneti teljesítményigényétől függően.

A teljesítménytényező-javító feszültségnövelő (boost) átalakító szabályozott sínegyenfeszültséget állít elő a kimenetén (nagyobbat, mint a bemenő váltakozó feszültség csúcsértéke), és ezt a nagyobb sínegyenfeszültséget továbbítja az inverteres feszültségcsökkentő (buck) átalakító fokozathoz. A feszültségcsökkentési művelet nagyon egyszerű. Amikor a feszültségcsökkentő áramátalakító kapcsolója zárva van, a tekercs (induktor) feszültsége a bemeneti és a kimeneti feszültség különbsége (V_IN – V_OUT). Amikor a kapcsoló nyitva van, a túlfeszültségvédő dióda egyenirányítja az áramot, és a tekercs feszültsége megegyezik a kimenőfeszültséggel.

MasterGaN tápegység egy tokba épített (SiP) rendszerként LED-ek meghajtására

A fajlagos teljesítmény és a hatásfok mellett a nagyfeszültségű világítási rendszerek egyik fő kihívását a tervezés összetettsége jelenti. A széles tiltott sávú félvezetők, például a GaN használatával növelhető az áramkör fajlagos teljesítménye és hatásfoka. Az STMicroelectronics cég MasterGaN termékcsaládja ezt a feladatot úgy oldja meg, hogy egy tokban egyesíti a nagyfeszültségű, intelligens teljesítményű, BCD-eljárással készült kapuvezérlőket a nagyfeszültségű GaN tranzisztorokkal. A MasterGaN lehetővé teszi az 1. ábrán látható áramkör egyszerű megvalósítását. Két félhídba kapcsolt 650 V-os GaN HEMT (nagy elektronmobilitású) tranzisztort, valamint a kapuvezérlőket tartalmazza. Ebben a példában a teljes feszültségcsökkentő fokozat egyetlen 9 mm × 9 mm-es QFN-tokba van beépítve, és minimális számú külső alkatrészt igényel. A tokban van elhelyezve még a feszültség-utánhúzó dióda is, amelyre jellemzően szükség van a két – magas- és alacsonyoldali – félhidas kapuvezérlő leválasztott nagyfeszültségű fokozatának áramellátásához. Következésképpen a MasterGAN tápegységet használó eszköz fajlagos teljesítménye drámaian megnövelhető a szokványos szilíciumeszközökéhez képest, és közben a kapcsolási frekvencia vagy a kimenőteljesítmény is növelhető. Egészen pontosan ebben a LED-meghajtó eszközben 30%-kal csökkent a nyomtatott áramköri lap területe, és nem használ hűtőbordákat.

Nagy teljesítményű LED-es világítási rendszerekhez a folyamatos vezetésű üzemmód a legjobb megoldás. A folyamatos vezetésű üzemmód GaN eszközökkel történő megvalósításakor a korábban tárgyalt kiemelkedő előnyök mellett a költségek is csökkennek. A nagy teljesítményű eszközök kiszolgálásához sincs szükség a nyelő és a forrás közi nagyon kis R_DSON nyitási ellenállásra, mert a teljes teljesítményveszteséghez kevesebb kapcsolási veszteség társul. A GaN a záróirányú visszatérési veszteségek kiküszöbölésének és a kisebb elektromágneses zavarásnak köszönhetően a folyamatos vezetésű üzemmód használatának egyik fő hátrányát is enyhíti, ugyanis a GaN eszközök esetében nincs záróirányú áram. A folyamatos vezetésű üzemmódban való működés az állandó zárási idős vezérléssel kombinálva nagyon leegyszerűsíti a kimeneti búgófeszültség V_OUT kimenőfeszültségtől való függésének kompenzálását is. Egyértelmű, hogy a folyamatos vezetésű üzemmódban használt GaN kapcsoló remek megoldás a nagyfeszültségű LED-es világítási rendszerekhez, de számos más felhasználási területen is.

A 2. ábrán az inverteres feszültségcsökkentő áramátalakító alapkapcsolása, valamint egy MASTERGAN4 tápegységet használó kialakítás látható.

2. ábra: A MASTERGAN4 tápegység felhasználásával kialakított inverteres feszültségcsökkentő áramátalakító kapcsolási rajza (kép: STMicroelectronics)

A MASTERGAN4 két (jellemzően 25 °C-on) 225 mΩ ellenállású 650 V-os GaN tranzisztort tartalmaz félhídba kapcsolva, valamint egy célorientált félhidas kapuvezérlőt és a feszültség-utánhúzó diódát. Ez a magas fokú integráltság egyszerűsíti a tervezést, és minimálisra csökkenti a nyomtatott áramköri lap méretét, amely így elfér egy kis, 9 mm × 9 mm-es QFN tokban. A 3. ábrán látható fejlesztőkártyát a MASTERGAN4 tápegységet egy inverteres feszültségcsökkentő átalakító áramkörbe beépítve alakították ki, és a következő műszaki adatai vannak: 450 V-ig fogad bemenőjeleket, a LED-sorra adott kimenőfeszültsége 100 V és 370 V közé állítható be, állandó zárási idős (FOT, Fixed Off-Time) folyamatos vezetésű üzemmódban (CCM) működik 70 kHz-es kapcsolási frekvenciával, és a legnagyobb kimenőárama 1 A.

3. ábra: Példa a MASTERGaN4 tápegységgel megvalósított inverteres feszültségcsökkentő átalakító áramkört tartalmazó fejlesztőkártyára (kép: STMicroelectronics)

Az ezen a fejlesztőkártyán használt HVLED002 vezérlőegység egyetlen impulzusszélesség-modulált (PWM) vezérlőjel előállítására szolgál. Ezután egy egyszerű Schmitt-triggereken alapuló külső áramkör állít elő két komplementer jelet, amelyek megfelelő holtidővel vezérlik az alacsony- és a magasoldali GaN tranzisztort. Két lineáris feszültségszabályozó is található a kapcsolásban a MASTERGAN4 számára szükséges tápfeszültségek előállítására. A MASTERGaN4 tápegységgel megvalósított inverteres feszültségcsökkentő átalakító áramkör megoldást kínál a nagyobb fajlagos teljesítmény és jobb hatásfok elérésére, de az alább tárgyalt eredmények magukért beszélnek.

Kísérleti eredmények:

A 4. ábrán látható hatásfokdiagramok a javasolt megoldás előnyeit mutatják a hagyományos szilíciumalapú megoldással szemben a LED-sorra adott feszültség függvényében 0,5 A és 1 A kimenőáram esetén.

4. ábra: Hatásfokdiagramok a LED-sorra adott feszültség függvényében a MasterGaN és egy szilícium MOSFET esetében (kép: STMicroelectronics)

A MASTERGAN4 hatásfoka a LED-sorra adott teljes feszültségtartományban 96,8% vagy annál magasabb marad. Megfigyelhető, hogy a hatásfoknövekedés minden feszültségszinten a lehető legnagyobb, köszönhetően a kis vezetési veszteségeknek, valamint a GaN eszköz minimális vezérlési és kapcsolási veszteségeinek.

1. táblázat: A GaN és szilícium MOSFET méretének összehasonlítása

Az 1. táblázat a szilíciumalapú megoldást hasonlítja össze a MASTERGAN4 alapú megoldással. Amint látható, a GaN-alapú eszköz használatával több mint 30%-os teljes csökkenés érhető el a nyomtatott áramköri lap területét tekintve. Az eredmények egy olyan megoldást mutatnak, amelyet a GaN használatával el lehet érni ebben az inverteres feszültségcsökkentő átalakító áramkörben. A kapcsolási frekvencia 70 kHz fölé emelésével csökkenthető a kimenőtekercs és a kondenzátor mérete, de ennek az az ára, hogy nő a vezérlési és a kapcsolási veszteség. Magasabb frekvencián és csökkentett szűrőméret esetén az elektrolitkondenzátorok megbízhatóbb és nagyobb kerámiakondenzátorokkal helyettesíthetők. A szűrőkondenzátor és a feszültségcsökkentő tekercs mérete közötti kompromisszum a célkészülék által megkövetelt kapcsolási frekvencia alapján optimalizálható.

Összegzés

Ez a cikk egy inverteres feszültségcsökkentő átalakító áramkör megvalósítását tárgyalja a MASTERGAN4 tápegységen alapuló LED-es világítási rendszerek esetében. A rendszer az adott tokozásban 650 V-os, 225 mΩ ellenállású GaN tranzisztorokat tartalmaz félhíd kapcsolásban és célorientált kapuvezérlőkkel. A GaN-alapú megoldás a szilíciumalapúval szemben jobb hatásfokot mutat, és kisebb méretű nyomtatott áramköri lapot igényel. A MasterGaN ideális megoldás világítási rendszerekhez való kis méretű, kiváló hatásfokú és nagy teljesítményű inverteres feszültségcsökkentő átalakító áramkörök előállításához.