เทคโนโลยีแถบพลังงานกว้างเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพและความหนาแน่นของพลังงานสูงสุดในหลอดไฟ LED แรงสูง

ไฟ LED แรงดันสูงได้รับการพิสูจน์แล้วว่าสามารถทดแทนเทคโนโลยีก่อนหน้านี้ได้ เช่น หลอดคายประจุความเข้มสูง (HID) เมื่อมีการนำหลอดไฟ LED แรงดันสูงมาใช้งาน ผู้ผลิตหลายรายจึงเร่งดำเนินการผลิตและนำไปใช้ในการใช้งานที่หลากหลาย แม้ว่าคุณภาพแสงและความหนาแน่นของพลังงานจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก แต่ประสิทธิภาพก็กลายเป็นประเด็นสำคัญที่จะต้องแก้ไข นอกจากนี้ การใช้งานช่วงแรก ๆ ยังเห็นอัตราการชำรุดที่สูงกว่าที่คาดไว้มาก ความท้าทายหลักของไฟ LED แรงดันสูงคือการเพิ่มความหนาแน่นและประสิทธิภาพของพลังงานอย่างต่อเนื่อง ตลอดจนทำให้มีความน่าเชื่อถือและราคาไม่แพงมากสำหรับการใช้งานในอนาคต ในบทความนี้จะกล่าวถึงเทคโนโลยีแถบพลังงานกว้าง (Wide Bandgap) (GaN) และวิธีการจัดการกับความท้าทายด้านประสิทธิภาพและความหนาแน่นของพลังงานสำหรับไฟ LED แรงดันสูง และบทความนี้จะแสดงให้เห็นว่าสามารถใช้เทคโนโลยีแถบพลังงานกว้าง เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพและความหนาแน่นของพลังงานได้สูงสุด โดยเน้นที่ส่วนบั๊กของสถาปัตยกรรมไดรเวอร์ LED ที่แสดงในรูปที่ 1

เซมิคอนดักเตอร์แบบแถบพลังงานกว้าง (GaN) สามารถทำงานได้ที่ความถี่สวิตชิ่งที่สูงขึ้น เมื่อเทียบกับเซมิคอนดักเตอร์ทั่วไป เช่น ซิลิกอน วัสดุที่มีแถบพลังงานกว้างต้องใช้พลังงานที่มากขึ้นเพื่อกระตุ้นให้อิเล็กตรอนกระโดดจากด้านบนของแถบวาเลนซ์ไปยังด้านล่างของแถบการนำไฟฟ้าซึ่งสามารถนำมาใช้ในวงจรได้ การเพิ่มแถบพลังงานจึงมีผลกระทบอย่างมากต่ออุปกรณ์ วัสดุอย่างแกลเลียมไนไตรด์ (GaN) ที่มีช่องว่างขนาดใหญ่กว่าสามารถทนต่อสนามไฟฟ้าที่แรงขึ้นได้ คุณลักษณะที่สำคัญที่วัสดุที่มีแถบพลังงานกว้างมีความเร็วอิเล็กตรอนอิสระสูงและความหนาแน่นของสนามอิเล็กตรอนที่สูงขึ้น คุณลักษณะสำคัญเหล่านี้ทำให้สวิตช์ GaN เร็วขึ้นถึง 10 เท่าและมีขนาดเล็กลงอย่างมากในขณะที่มีความต้านทานและแรงดันพังทลายเท่ากับส่วนประกอบซิลิกอนที่คล้ายคลึงกัน ดังนั้น GaN จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานใน LED แรงดันสูง เนื่องจากคุณสมบัติหลักเหล่านี้ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานกับระบบแสงสว่างในอนาคต

รูปที่ 1: สถาปัตยกรรมระบบของไดรเวอร์ LED กำลังสูงที่ไม่แยกสัญญาณ (แหล่งที่มารูปภาพ: STMicroelectronics)

รูปที่ 1 แสดงสถาปัตยกรรมระดับสูงของไฟ LED ซึ่งจะเป็นตัวอย่างพื้นฐานสำหรับการใช้เทคโนโลยีแถบพลังงานกว้าง GaN แม้ว่าวัสดุที่มีแถบพลังงานกว้างจะสามารถนำมาใช้ได้ตลอดทั้งการใช้งาน แต่ตัวสร้างกระแสไฟฟ้าแรงสูงที่เน้นด้วยสีเขียวจะเป็นจุดที่ใช้ประโยชน์จากเทคโนโลยีแถบพลังงานกว้าง เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพและความหนาแน่นของพลังงานสูงสุด การใช้งานระบบแสงสว่างส่วนใหญ่ต้องการตัวประกอบกำลังสูงและค่าความผิดเพี้ยนของฮาร์โมนิกต่ำในช่วงแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับขาเข้าที่กว้าง ในกรณีนี้ขอแนะนำให้ใช้การเพิ่ม PFC เพื่อให้มีแรงดันไฟฟ้าขาเข้า 400 V_DC ที่สะอาดสำหรับไดรเวอร์ LED และตรงตามข้อกำหนดด้านคุณภาพกำลังไฟฟ้า โดยตัวแปลงบูสต์ PFC ส่วนหน้านั้นมีหลายตัวเลือก ไม่ว่าจะเป็นโหมดการเปลี่ยนผ่าน (TM), โหมดการนำไฟฟ้าต่อเนื่อง (CCM) ตลอดจนโหมดอื่น ๆ โหมดการเปลี่ยนผ่านมีลักษณะการทำงานด้วยความถี่ผันแปรและการสวิตชิ่งกระแสไฟเป็นศูนย์เมื่อเปิดพาวเวอร์มอสเฟต ข้อดีอื่น ๆ ได้แก่ การออกแบบที่เรียบง่าย ขนาดตัวเหนี่ยวนำขนาดเล็ก และไม่มีการกู้คืนแบบย้อนกลับของบูสต์ไดโอด ความท้าทายหลักคือการที่มีกระแสไฟขาเข้าสูงสุดและ RMS สูง ซึ่งส่งผลให้ตัวกรอง EMI มีขนาดใหญ่ขึ้นเมื่อกำลังเพิ่มขึ้น นอกจากนั้น CCM ยังให้การทำงานที่ความถี่คงที่ กระแสไฟของตัวเหนี่ยวนำบูสต์จะมีส่วนประกอบโดยเฉลี่ยเสมอ นอกเหนือจากจุดตัดที่ใกล้ศูนย์ ตัวเหนี่ยวนำได้รับการออกแบบสำหรับการกระเพื่อม 20-30% ส่งผลให้ตัวกรอง EMI มีขนาดเล็กลงเมื่อเทียบกับการทำงานแบบ TM นี่ยังหมายถึงตัวเหนี่ยวนำบูสต์ที่ใหญ่กว่าและฟิลเตอร์ EMI ที่เล็กกว่าสำหรับกำลังเอาต์พุตที่เท่ากันเมื่อเปรียบเทียบกับการทำงานแบบ TM ความท้าทายหลักคือการควบคุมที่ซับซ้อนมากขึ้นและความต้องการไดโอดแบบ Ultrafast Soft Recovery หรือไดโอด SiC ดังนั้นโดยทั่วไปแล้ว CCM PFC จึงมีราคาแพงกว่า TM PFC โดยหลักการแล้ว สามารถใช้สวิตช์การกู้คืนแบบย้อนกลับเป็นศูนย์แทนวงจรเรียงกระแสไดโอดใน CCM PFC ทำให้ทรานซิสเตอร์ GaN เป็นตัวเลือกที่ดีมากสำหรับการใช้งานนี้

การแยกสัญญาณเป็นอุปกรณ์เสริม และสามารถนำมาใช้ระหว่างระยะอินพุตและระยะที่สองของการแปลงกำลัง ในตัวอย่างนี้ จะไม่ใช้การแยกสัญญาณ และระยะ PFC อินพุตตามมาด้วยระยะบั๊กผกผันที่ไม่แยกสัญญาณและมีการควบคุม CC/CV ในกรณีที่จำเป็นต้องมีการแยกสัญญาณ สามารถใช้ตัวแปลงกำลังไฟฟ้าเรโซแนนซ์ (LLC, LCC) หรือตัวแปลงฟลายแบ็คได้ ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับความต้องการพลังงานเอาท์พุตในการใช้งาน

ตัวแปลงบูสต์ PFC จะสร้างแรงดันไฟฟ้าเอาต์พุตบัส DC ที่ได้รับการควบคุม (สูงกว่าจุดสูงสุดของแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับอินพุต) และส่งผ่านแรงดันบัส DC ที่สูงกว่านี้ไปยังระยะตัวแปลงบั๊กแบบกลับด้าน การดำเนินการขาลงค่อนข้างเรียบง่าย เมื่อสวิตช์ในบั๊กเปิดอยู่ แรงดันเหนี่ยวนำคือความแตกต่างระหว่างแรงดันอินพุตและเอาต์พุต (V_IN – V_OUT) เมื่อปิดสวิตช์ แคชไดโอดจะปรับกระแสไฟและแรงดันไฟเหนี่ยวนำจะเท่ากับแรงดันไฟขาออก

ระบบ MasterGaN ในแพ็คเกจ (SiP) สำหรับไดรเวอร์ LED

นอกจากความหนาแน่นและประสิทธิภาพของพลังงานแล้ว ความท้าทายที่สำคัญสำหรับการใช้งานระบบแสงสว่างไฟฟ้าแรงสูงคือความซับซ้อนของการออกแบบ เมื่อใช้เซมิคอนดักเตอร์แถบพลังงานกว้าง เช่น GaN ความหนาแน่นของพลังงานและประสิทธิภาพของวงจรจะเพิ่มขึ้น กลุ่ม MasterGaN ของ ST จัดการกับความท้าทายดังกล่าวด้วยการรวมไดรเวอร์เกทโปรเซส BCD แบบสมาร์ทกำลังแรงสูงเข้ากับทรานซิสเตอร์ GaN แรงดันสูงในแพ็คเกจเดียว MasterGaN ช่วยให้ใช้งานโทโพโลยีได้ง่ายดังแสดงในรูปที่ 1 โดยฝังทรานซิสเตอร์ 650 V GaN HEMT สองตัวในรูปแบบ Half-Bridge เช่นเดียวกับไดรเวอร์เกท ในตัวอย่างนี้ ระยะกำลังบัคทั้งหมดถูกรวมไว้ในแพ็คเกจ QFN 9x9 มม. ที่ต้องการจำนวนส่วนประกอบภายนอกน้อยที่สุด แม้แต่บูตสแตรปไดโอด ซึ่งโดยปกติจำเป็นต้องจ่ายส่วนไฟฟ้าแรงสูงแบบแยกเดี่ยวของไดรเวอร์เกทฮาล์ฟบริดจ์คู่ ด้านสูง/ต่ำ ก็ยังฝังอยู่ใน SiP ดังนั้น ความหนาแน่นพลังงานของการใช้งานที่ใช้อุปกรณ์ MasterGAN จะเพิ่มขึ้นอย่างมากเมื่อเทียบกับโซลูชันซิลิกอนมาตรฐาน ในขณะที่เพิ่มความถี่สวิตชิ่งหรือกำลังไฟฟ้าออก โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ในการใช้งานในไดรเวอร์ LED นี้ พื้นที่ PCB ลดลง 30% และไม่จำเป็นต้องใช้ฮีตซิงก์

สำหรับการใช้งานไฟ LED กำลังสูง CCM เป็นโหมดการทำงานที่ดีที่สุด เมื่อใช้ CCM กับอุปกรณ์ GaN จะมีประโยชน์ระดับสูงที่กล่าวถึงก่อนหน้านี้รวมถึงต้นทุนที่ลดลง ไม่จำเป็นต้องมี R_DSON ที่ต่ำมาก เพื่อรองรับการใช้งานที่มีกำลังสูงเนื่องจากการสูญเสียสวิตชิ่งที่ลดลงไปสู่การสูญเสียพลังงานโดยรวม GaN ยังบรรเทาข้อเสียเปรียบที่สำคัญของการใช้ CCM โดยกำจัดการสูญเสียการกู้คืนและ EMI ที่ลดลง เนื่องจาก GaN ไม่มีการกู้คืนแบบย้อนกลับ การทำงานของ CCM พร้อมการควบคุมเวลาปิดคงที่ยังทำให้การชดเชยการพึ่งพาการกระเพื่อมของกระแสไฟขาออกบน V_OUT นั้นง่ายมากขึ้น เป็นที่ชัดเจนว่าการใช้สวิตช์ GaN โดยใช้ CCM เป็นการผสมผสานที่ลงตัวสำหรับการใช้งานไฟ LED แรงสูง รวมถึงคุณสมบัติอื่นๆ อีกมากมาย

รูปแบบพื้นฐานของโทโพโลยีบั๊กแบบผกผันแสดงในรูปที่ 2 พร้อมกับการใช้งานที่ใช้ MASTERGAN4

รูปที่ 2: โทโพโลยีบั๊กแบบผกผันใช้กับ MASTERGAN4 (แหล่งที่มารูปภาพ: STMicroelectronics)

MASTERGAN4 มีทรานซิสเตอร์ GaN 650 V ขนาด 225 mΩ (ปกติที่ 25°C) จำนวน 2 ตัวในการกำหนดค่าฮาร์ฟบริดจ์, ไดรเวอร์เกทฮาร์ฟบริดจ์เฉพาะ และบูตสแตรปไดโอด การรวมระดับสูงนี้ทำให้การออกแบบง่ายขึ้นและลดพื้นที่ PCB ในแพ็คเกจ QFN ขนาดเล็กขนาด 9x9 มม. บอร์ดประเมินผลที่แสดงในรูปที่ 3 ได้รับการออกแบบโดยใช้ MASTERGAN4 ในโทโพโลยีแบบผกผันมีข้อกำหนดดังต่อไปนี้: รับอินพุตสูงสุด 450 V แรงดันเอาต์พุตของสตริง LED สามารถตั้งค่าได้ระหว่าง 100 V ถึง 370 V; ซึ่งทำงานแบบ Fixed Off Time (FOT) CCM ด้วยความถี่สวิตชิ่ง 70 kHz กระแสไฟขาออกสูงสุดคือ 1 A

รูปที่ 3: ตัวอย่าง ชุดสาธิตบั๊กผกผันด้วยด้วย MASTERGaN4 (แหล่งที่มารูปภาพ: STMicroelectronics)

ตัวควบคุมในโซลูชันนี้ HVLED002 ใช้เพื่อสร้างสัญญาณควบคุม PWM เดียว จากนั้นใช้วงจรภายนอกที่ใช้ Schmitt Triggers เพื่อสร้างสัญญาณเสริมสองสัญญาณเพื่อขับเคลื่อนทรานซิสเตอร์ GaN ด้านต่ำและด้านสูงด้วยเวลาเว้นว่างที่เหมาะสม ตัวควบคุมเชิงเส้นสองตัวรวมอยู่ด้วยเพื่อสร้างแรงดันไฟฟ้าที่ MASTERGAN4 ต้องการ โทโพโลยีบั๊กแบบผกผันที่นำมาใช้กับ MASTERGAN4 จะสร้างโซลูชันสำหรับความหนาแน่นและประสิทธิภาพของพลังงานที่เพิ่มขึ้น ดังที่แสดงในผลลัพธ์ด้านล่าง

ผลการทดลอง:

แผนภาพประสิทธิภาพในรูปที่ 4 แสดงข้อดีของโซลูชันที่เสนอเทียบกับโซลูชันซิลิกอนแบบดั้งเดิมตามฟังก์ชันของแรงดันไฟ LED สำหรับกระแสไฟขาออก 0.5 A และ 1 A

รูปที่ 4: ประสิทธิภาพเทียบกับแรงดันไฟฟ้า LED สำหรับ MasterGaN และ Silicon MOSFET (แหล่งที่มารูปภาพ: STMicroelectronics)

ประสิทธิภาพของ MASTERGAN4 มีค่าอย่างน้อย 96.8% ตลอดช่วงแรงดันไฟ LED ทั้งหมด สังเกตได้ว่าประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้นในทุกระดับกำลังเพิ่มขึ้นด้วยการสูญเสียการนำไฟฟ้าที่ต่ำ ตลอดจนการขับและการสูญเสียการสวิตชิ่งของโซลูชัน GaN ที่น้อยที่สุด

ตารางที่ 1: การเปรียบเทียบขนาดสำหรับ GaN และซิลิกอนมอตเฟส

ตารางที่ 1 เปรียบเทียบโซลูชันซิลิกอนกับโซลูชันที่ใช้ MASTERGAN4 อย่างที่เห็น การลดพื้นที่ PCB โดยรวมมากกว่า 30% จะแสดงด้วยการนำการออกแบบ GaN ไปใช้ ผลลัพธ์แสดงเส้นทางเดียวที่สามารถใช้กับ GaN ได้ในโทโพโลยีบั๊กผกผันนี้ การเพิ่มความถี่สวิตชิ่งที่สูงกว่า 70 kHz สามารถลดขนาดตัวเหนี่ยวนำเอาต์พุตและตัวเก็บประจุได้ ซึ่งทำให้สูญเสียการขับและการสวิตชิ่งที่สูงขึ้น ด้วยความถี่ที่สูงขึ้นและขนาดตัวกรองที่ลดลง ตัวเก็บประจุแบบอิเล็กโทรไลต์สามารถถูกแทนที่ด้วยตัวเก็บประจุเซรามิกที่มีขนาดใหญ่กว่าและเชื่อถือได้มากกว่า การแลกเปลี่ยนระหว่างตัวเก็บประจุของตัวกรองและขนาดตัวเหนี่ยวนำบัคสามารถปรับให้เหมาะสมตามความถี่การสลับที่ต้องการตามการใช้งานที่ต้องการ

สรุป

บทความนี้กล่าวถึงการใช้โทโพโลยีบั๊กแบบผกผันสำหรับการใช้งานไฟ LED ที่ใช้ MASTERGAN4 ระบบในการกำหนดค่าแพ็คเกจมีทรานซิสเตอร์ GaN 650 V, 225 mΩ ในการกำหนดค่าฮาล์ฟบริดจ์และไดรเวอร์เกตเฉพาะ โซลูชัน GaN เทียบกับซิลิคอนแสดงประสิทธิภาพที่สูงขึ้นและพื้นที่ PCB ที่ลดลง MasterGaN เป็นโซลูชั่นที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการใช้งานแบบผกผันที่มีขนาดกะทัดรัด ประสิทธิภาพสูง และกำลังสูงสำหรับการใช้งานด้านแสงสว่าง