טכנולוגיית פער-אנרגיה רחב‏ (Wide Bandgap‏) למקסום נצילות וצפיפות הספק בתאורת LED‏ מתח-גבוה‏

תאורת LED‏ מתח-גבוה מוכחת להיות תחליף‏ מעשי לטכנולוגיות קודמות כגון תאורת פריקה בעוצמה גבוהה (HID). עם האימוץ של תאורת LED מתח-גבוה, יצרנים רבים מיהרו ליצר ולממש אותה במגוון יישומים. בעוד שהיה גידול משמעותי באיכות תאורה וצפיפות הספק, נצילות הפכה להיבט חשוב שנותר לטפל בו. כמו כן, יישומים מוקדמים הראו שיעורי כשל הרבה יותר גבוהים מהמצופה. האתגר העיקרי של תאורת LED‏ מתח-גבוה הוא להמשיך להגדיל צפיפות הספק ונצילות, כמו גם לעשותה לאמינה וברת-השגה יותר עבור יישומם עתידיים. במאמר זה נדון בטכנולוגיית פער-אנרגיה רחב‏ (Wide Bandgap‏) (GaN) וכיצד היא יכולה לטפל באתגרי הנצילות וצפיפות ההספק עבור תאורת LED‏ מתח-גבוה. דיון זה יציג כיצד טכנולוגיית פער-אנרגיה רחב‏ (Wide Bandgap‏) יכולה לשמש למקסום הנצילות וצפיפות ההספק, עם‏ מיקוד בחלק ה-Buck של ארכיטקטורת דוחף ה-LED המוצגת באיור 1‏.

מוליכים למחצה פער-אנרגיה רחב‏ (Wide Bandgap‏) (GaN‏) יכולים לעבוד בתדרי מיתוג גבוהים יותר בהשוואה למוליכים למחצה קונבנציונליים כמו סיליקון. חומרי פער-אנרגיה רחב‏ (Wide Bandgap‏) דורשים כמות אנרגיה‏ גבוהה יותר כדי לעורר אלקטרון שיקפוץ מחלקו העליון של פס הערכיות (Valence Band) לתחתית פס ההולכה (Conduction Band) היכן שניתן להשתמש בו במעגל. לכן, להגדלת פער-האנרגיה (Bandgap) יש השפעה גדולה על התקן (ומאפשרת לפיסה בגודל קטן יותר לעשות את אותה העבודה). חומרים כגון גאליום ניטריד (GaN‏) שהם בעלי פער-אנרגיה (Bandgap) גדול יותר יכולים לעמוד בשדות חשמליים חזקים יותר. תכונות קריטיות של חומרי פער-אנרגיה רחב‏ (Wide Bandgap‏) הן מהירויות אלקטרון-חופשי גבוהות וצפיפות שדה אלקטרון גבוהה יותר. תכונות מפתח אלו הופכות מתגי GaN‏ למהירים יותר עד פי 10 ומשמעותית קטנים יותר כשהם בעלי אותה התנגדות ואותו מתח פריצה כמו רכיב סיליקון דומה. חומר ‏GaN הוא מושלם עבור יישומי LED מתח-גבוה, מאחר ותכונות עיקריות אלו הופכות אותו לאידיאלי לשימוש ביישומי תאורה עתידיים.

איור 1‏: ארכיטקטורת מערכת של דוחף LED הספק-גבוה לא-מבודד. (מקור תמונה: STMicroelectronics)

איור 1‏ מראה ארכיטקטורה ברמה-גבוהה של יישום‏ תאורת LED‏ שתשמש כדוגמת קו-בסיס עבור מימוש טכנולוגיית פער-אנרגיה רחב‏ (Wide Bandgap‏) GaN. למרות שחומרי פער-אנרגיה רחב‏ (Wide Bandgap‏) ניתנים ליישום לרוחב האפליקציה, Buck המתח-הגבוה מחולל הזרם, המודגש בירוק, יהיה המיקוד למינוף טכנולוגיית פער-אנרגיה רחב‏ (Wide Bandgap‏) עבור מקסום נצילות וצפיפות הספק. מרבית יישומי התאורה דורשים גורם הספק גבוה ועיוות הרמוני נמוך לרוחב תחום מתחי כניסה AC רחב. במקרה זה, עדיף ליישם‏ PFC boost‏ כדי לספק כניסה נקיה של ‎400 V_DC עבור דוחף ה-LED ולעמוד בדרישות איכות הספק. ישנן אפשרויות רבות לממיר PFC boost קצה קדמי; מצב מעבר (TM), מצב הולכה רצופה (CCM‏), כמו גם אחרות. מצב מעבר (TM) מאופיין על ידי עבודה בתדר משתנה ומיתוג בזרם אפס בהפעלה של MOSFET ההספק. יתרונות נוספים הם תכנון פשוט, גודל משרן קטן ואי-התאוששות אחורנית של דיודת ה-boost. האתגרים העיקריים הם זרמי כניסה RMS‏ ושיא גבוהים, וכתוצאה מכך גם מסנן EMI גדול יותר עם הגידול בהספק. CCM‏, לעומת זה, מספק עבודה בתדר קבוע. זרם משרן ה-boost הוא תמיד בעל רכיב ממוצע, חוץ מנקודות חצייה קרובות לאפס. המשרן מתוכנן עבור אדווה של 20-30%, והתוצאה מכך היא מסנן EMI קטן יותר בהשוואה לעבודת TM. המשמעות של זה היא משרן boost גדול יותר ומסנן EMI קטן יותר עבור אותו הספק יציאה בהשוואה לעבודת TM. האתגרים העיקריים הם בקרה מורכבת יותר והצורך בדיודת התאוששות רכה אולטרה-מהירה או דיודת SiC‏. כתוצאה מכך, ה-CCM PFC‏ הוא באופן כללי יותר יקר מ-TM PFC‏. באופן אידיאלי, ניתן להשתמש במתג התאוששות אחורנית אפס במקום דיודת היישור בתיקוני CCM PFC. זה הופך טרנזיסטורי GaN‏ למועמדים טובים מאוד עבור יישום זה.

בידוד הוא אופציונלי וניתן לישמו בין דרגת הכניסה והדרגה השנייה של המרת הספק. בדוגמה זו, אין שימוש בבידוד, ואחרי דרגת ה-PFC כניסה באה דרגת buck הופכית לא מבודדת עם בקרת CC/CV. במקרים בהם דרוש בידוד, ניתן להשתמש בממיר הספק תהודתי ‏(LLC,‏ LCC) או ממיר‏ Flyback‏, בהתאם לדרישות הספק של היישום.

ממיר ה-PFC boost מחולל ביציאתו מתח אפיק DC מיוצב (גבוה יותר משיא מתח ה-AC כניסה) ומעביר מתח אפיק DC גבוה יותר זה אל דרגת ממיר ה-buck ההופכית. פעולת ירידת המתח היא די פשוטה. כשהמתג ב-buck במצב מופעל, מתח המשרן הוא ההפרש בין מתחי הכניסה ויציאה (V_IN – V_OUT). כשהמתג אינו מופעל, דיודת ה-Catch מישרת את הזרם ומתח המשרן זהה למתח היציאה.

מערכת-במארז (SiP) ‏MasterGaN עבור דוחפי LED‏

ביחד עם צפיפות הספק ונצילות, אתגר מפתח ‏עבור יישומי תאורה מתח-גבוה הוא המורכבות של התכנון. עם השימוש במולכים למחצה פער-אנרגיה רחב‏ (Wide Bandgap‏) כמו GaN, ניתן להגדיל את צפיפות ההספק והנצילות של המעגל. משפחת MasterGaN של ST מטפלת באתגר זה על ידי שילוב דוחפי השער תהליך-BCD הספק-חכם מתח-גבוה עם טרנזיסטורי GaN מתח-גבוה במארז יחיד. MasterGaN מאפשרת מימוש קל של הטופולוגיה המוצגת באיור 1‏. היא משבצת שני טרנזיסטורי 650‎ V GaN HEMT בתצורת חצי-גשר כמו גם את דוחפי השער. בדוגמה זו, דרגת ההספק buck כולה משולבת במארז QFN‏ ‎9 x 9 מ"מ יחיד הדורש מספר רכיבים חיצוניים מינימלי. אפילו דיודת ה-bootstrap, הדרושה בדרך כלל כדי לספק את חלק המתח-הגבוה המבודד של דוחף שער חצי-גשר כפול, צד-גבוה/צד-נמוך, משובצת בתוך ה-SiP‏. כתוצאה מכך, ניתן להגדיל באופן דרמטי את צפיפות ההספק של יישום המשתמש בהתקן‏ MasterGAN בהשוואה לפתרון‏ סיליקון סטנדרטי תוך כדי הגדלת תדר המיתוג או יציאת ההספק. ליתר דיוק, ביישום דוחף LED‏ זה הושג קיטון שטח PCB של 30% ולא היה שימוש בגופי קירור.

עבור יישומי תאורת LED הספק-גבוה, CCM‏ הוא מצב העבודה הטוב ביותר לשימוש. כשממשים CCM עם התקני GaN, יתקיימו יתרונות הרמה-הגבוהה שנדונו קודם, כמו גם עלות מופחתת. לא יהיה צורך ב-R_DSON נמוך מאוד כדי לשרת יישומי הספק גבוה בשל התרומה הנמוכה של הפסדי המיתוג להפסדי הספק כוללים. GaN‏ גם ממתן חיסרון‏ עיקרי של שימוש ב-CCM‏ על ידי מניעת הפסדי התאוששות ו-EMI מוקטן‏, מאחר ו-GaN‏ אינו מתנסה בהתאוששות-אחורנית. עבודת CCM‏ עם בקרת זמן-השבתה-קבוע (Fixed Off Time) גם עושה את הקיזוז של תלות אדוות זרם יציאה ב-V_OUT לקל מאוד. ברור שמימוש מתג GaN‏ תוך שימוש ב-CCM‏ הוא שילוב טוב עבור יישומי תאורת LED מתח-גבוה, כמו גם יישומים רבים אחרים.

השרטוט הבסיסי של טופולוגיית Buck‏ הופכית מוצג באיור 2‏ ביחד עם מימוש המשתמש ב-MASTERGAN4.

איור 2: טופולוגיית Buck הופכית ממומשת עם MASTERGAN4. (מקור תמונה: STMicroelectronics)

התקן MASTERGAN4 משבץ שני טרנזיסטורים ‎,650 V GaN‏ ‏225‎ mΩ (אופיינית ב-‎25°C) בתצורת חצי-גשר, דוחף שער חצי-גשר יעודי ודיודת ה-bootstrap. אינטגרציה ברמה גבוהה זו מפשטת את התכנון ומקטינה למינימום שטח PCB במארז QFN‏ 9‎ x 9 מ"מ קטן. לוח ההערכה המוצג באיור 3 תוכנן עם ה-MASTERGAN4 בטופולוגיית Buck ‏הופכית והוא בעל המפרט הבא: מקבל כניסה של עד ‎450 V, מתח היציאה של מחרוזת ה-LED ניתן להגדרה בין ‎100 V ו-370‎ V; עובד במצב זמן-השבתה-קבוע (Fixed Off Time) ‏(FOT)‏ CCM עם תדר מיתוג של 70‎ kHz; זרם היציאה המקסימלי הוא 1‎ A.

איור 3‏: דוגמה של הדגמת Buck הופכית עם MASTERGaN4. (מקור תמונה: STMicroelectronics)

הבקר בפתרון זה, ה-HVLED002, משמש להפקת אות בקרה‏ PWM יחיד. ה‏מעגל החיצוני המבוסס על מעגלי Schmitt-Trigger‏ פשוטים משמש אחר כך להפקת שני אותות משלימים כדי לדחוף את הצד הנמוך והצד הגבוה של טרנזיסטורי GaN‏ עם זמן מת מתאים. שני מיצבים ליניאריים כלולים גם כן כדי ליצר את מתחי האספקה הדרושים על ידי ה-MASTERGAN4. טופולוגיית ה-Buck ההופכית הממומשת עם MASTERGAN4 יוצרת פתרון עבור צפיפות הספק ונצילות מוגדלות, אך ניתן לתוצאות הנדונות בהמשך לדבר בעד עצמן.

תוצאות הניסוי:

הגרפים של הנצילות באיור 4‏ מראים את היתרונות של הפתרון המוצע לעומת פתרון‏ סיליקון מסורתי כפונקציה של מתח מחרוזת ה-LED‏ עבור זרמי יציאה של 0.5‎ A‏ ו-‎1 A‏.

איור 4: נצילות כפונקציה של מתח LED עבור MasterGaN ו-MOSFET סיליקון. ‏ (מקור תמונה: STMicroelectronics)

הנצילות של MASTERGAN4 עומדת על 96.8% או יותר בכל תחום מתחי מחרוזת ה-LED. ניתן לראות שבכל רמות ההספק הרווח בנצילות ממוקסם הודות להפסדי ההולכה הנמוכים כמו גם הפסדי הדחיפה והמיתוג המינימליים של פתרון ה-GaN‏.

טבלה 1‏: השוואת גודל עבור GaN‏ ו-MOSFET סיליקון

טבלה 1‏ משווה את פתרון הסיליקון עם פתרון המבוסס על MASTERGAN4. כפי שניתן לראות, מוצגת הפחתה של יותר מ-30% בשטח לוח ה-PCB עם מימוש התכנון ב-GaN‏. התוצאות מראות מסלול אחד שניתן ללכת בו עם GaN בטופולוגיית Buck הופכית. הגדלת תדר המיתוג מעל 70‎ kHz‏ יכולה להקטין את גדלי משרן וקבל היציאה על חשבון הפסדי דחיפה ומיתוג גבוהים יותר. בתדר‏ גבוה יותר וגודל מסנן מוקטן, ניתן להחליף קבלים אלקטרוליטיים על ידי קבלים קרמיים אמינים וגדולים יותר. הפשרה בין גודל קבל מסנן ומשרן Buck ניתנת למיטוב בהתבסס על תדר המיתוג הדרוש על ידי יישום המטרה.

מסקנות

מאמר זה דן במימוש טופולוגיית Buck הופכית מבוססת על MASTERGAN4 עבור יישומי תאורת LED. תצורת המערכת-במארז כוללת טרנזיסטורים 225‎ mΩ GaN, ‏650‎ V‏ בתצורת חצי-גשר ודוחפי שער ייעודיים. פתרון ה-GaN‏ לעומת סיליקון מראה נצילות גבוהה יותר ושטח PCB מוקטן. התקן MasterGaN הוא הפתרון האידיאלי עבור מימוש Buck הופכי קומפקטי, נצילות גבוהה והספק-גבוה עבור יישומי תאורה.