La iluminación LED de alto voltaje ha demostrado ser un sustituto viable de tecnologías anteriores como la iluminación de descarga de alta intensidad (HID). Con la adopción de la iluminación LED de alto voltaje, muchos fabricantes se apresuraron a producirla e implementarla en diversas aplicaciones. Aunque la calidad de la luz y la densidad de potencia han aumentado considerablemente, la eficiencia se ha convertido en un aspecto importante a tener en cuenta. Además, en las primeras aplicaciones se registraron tasas de fracaso muy superiores a las esperadas. El principal reto de la iluminación LED de alto voltaje es seguir aumentando la densidad de potencia y la eficiencia, así como hacerla fiable y más asequible para futuras aplicaciones. En este artículo se tratará la tecnología de banda prohibida (GaN) y cómo puede resolver el reto de la eficiencia y la densidad de potencia en la iluminación LED de alto voltaje. Esta discusión mostrará cómo se puede utilizar la tecnología de banda prohibida para maximizar la eficiencia y la densidad de potencia, centrándose en la porción de reducción de la arquitectura del controlador LED que se muestra en la Figura 1.
Los semiconductores de banda prohibida (GaN) pueden funcionar a frecuencias de conmutación más altas que los semiconductores convencionales, como el silicio. Los materiales de banda prohibida requieren una mayor cantidad de energía para excitar un electrón y hacerlo saltar de la parte superior de la banda de valencia a la inferior de la banda de conducción, donde puede utilizarse en el circuito. Por lo tanto, aumentar la banda prohibida tiene un gran impacto en un dispositivo (y permite que un tamaño de matriz más pequeño haga el mismo trabajo). Los materiales, como el nitruro de galio (GaN), que tienen un mayor banda prohibida, pueden soportar campos eléctricos más fuertes. Los atributos críticos que tienen los materiales de banda prohibida son las altas velocidades de los electrones libres y la mayor densidad de campo de los electrones. Estos atributos clave hacen que los interruptores de GaN sean hasta 10 veces más rápidos y considerablemente más pequeños, con la misma resistencia y tensión de ruptura que un componente similar de silicio. El GaN es perfecto para las aplicaciones LED de alto voltaje, ya que estos atributos clave lo hacen ideal para su implementación en las futuras aplicaciones de iluminación.
Figura 1: Arquitectura del sistema de un controlador LED de alta potencia no aislado. (Fuente de la imagen: STMicroelectronics)
La figura 1 muestra una arquitectura de alto nivel de una aplicación de iluminación LED que servirá como ejemplo de referencia para aplicar la tecnología de banda prohibida de GaN. Aunque los materiales de banda prohibida se pueden utilizar en toda la aplicación, el generador de corriente de alto voltaje, resaltado en verde, será el centro de atención para aprovechar la tecnología de banda prohibida para maximizar la eficiencia y la densidad de potencia. La mayoría de las aplicaciones de iluminación requieren un alto factor de potencia y una baja distorsión armónica en un amplio rango de tensión de entrada de CA. En este caso, es preferible implementar un refuerzo PFC para proporcionar una entrada limpia de 400 VCC para el controlador LED y cumplir con los requisitos de calidad de la energía. Existen múltiples opciones para un convertidor PFC boost frontal; modo de transición (TM), modo de conducción continua (CCM), así como otros. El modo de transición se caracteriza por un funcionamiento de frecuencia variable y una conmutación de corriente cero en el encendido del MOSFET de potencia. Otras ventajas son la sencillez del diseño, el pequeño tamaño del inductor y la ausencia de recuperación inversa del diodo de refuerzo. Los principales retos son la alta corriente de entrada de pico y RMS, que también da lugar a un filtro EMI más grande a medida que aumenta la potencia. El CCM, en cambio, proporciona un funcionamiento de frecuencia fija. La corriente del inductor elevador siempre tiene una componente media, además de los puntos de cruce cercanos a cero. El inductor está diseñado para una ondulación del 20-30%, lo que da lugar a un filtro EMI más pequeño en comparación con el funcionamiento TM. Esto también implica un inductor de refuerzo más grande y un filtro EMI más pequeño para la misma potencia de salida en comparación con el funcionamiento TM. Los principales retos son un control más complejo y la necesidad de un diodo de recuperación suave ultrarrápido o un diodo SiC. Por lo tanto, el CCM PFC suele ser más caro que un TM PFC. Lo ideal es utilizar un interruptor de recuperación inversa cero en lugar del diodo rectificador en los PFC de CCM. Esto hace que los transistores de GaN sean muy buenos candidatos para esta aplicación.
El aislamiento es opcional y puede introducirse entre la etapa de entrada y la segunda etapa de conversión de potencia. En este ejemplo, no se utiliza el aislamiento, y la etapa PFC de entrada va seguida de una etapa reductora inversa no aislada con control CC/CV. En los casos en los que se necesita aislamiento, se puede utilizar un convertidor de potencia resonante (LLC, LCC) o un convertidor flyback en función de los requisitos de potencia de salida de la aplicación.
El convertidor de refuerzo PFC genera una tensión de bus de CC regulada en su salida (más alta que el pico de la tensión de CA de entrada) y pasa esta tensión de bus de CC más alta a la etapa del convertidor reductor invertido. La operación de reducción es bastante sencilla. Cuando el interruptor del reductor está encendido, la tensión del inductor es la diferencia entre las tensiones de entrada y salida (VIN – VOUT). Cuando el interruptor está apagado, el diodo de captura rectifica la corriente y la tensión del inductor es la misma que la de salida.
Sistema MasterGaN en paquete (SiP) para controladores LED
Junto con la densidad de potencia y la eficiencia, un reto clave para las aplicaciones de iluminación de alto voltaje es la complejidad del diseño. Con el uso de semiconductores de banda prohibida como el GaN, se puede aumentar la densidad de potencia y la eficiencia del circuito. La familia MasterGaN de ST aborda este reto combinando los controladores de puerta de proceso BCD de alto voltaje con transistores GaN de alto voltaje en un único encapsulado. MasterGaN permite una fácil implementación de la topología mostrada en la Figura 1. Incorpora dos transistores HEMT de GaN de 650 V en configuración de medio puente, así como los controladores de puerta. En este ejemplo, toda la etapa de potencia buck está integrada en un único encapsulado QFN de 9×9 mm que requiere un número mínimo de componentes externos. Incluso el diodo de arranque, que suele ser necesario para alimentar la sección de alto voltaje aislada de un controlador de puerta de medio puente doble, lado alto/lado bajo, está integrado en el SiP. En consecuencia, la densidad de potencia de una aplicación que utiliza un dispositivo MasterGAN puede aumentar drásticamente en comparación con una solución de silicio estándar, al tiempo que aumenta la frecuencia de conmutación o la potencia de salida. Más concretamente, en esta aplicación de controlador LED, se logró una reducción del 30% del área de la placa de circuito impreso y no se utilizaron disipadores de calor.
Para aplicaciones de iluminación LED de alta potencia, CCM es el mejor modo de funcionamiento a utilizar. Cuando se implementa la MCC con dispositivos de GaN, se obtienen los beneficios de alto nivel anteriormente comentados, así como un costo reducido. No habría necesidad de una RDSON muy baja para servir a aplicaciones de alta potencia debido a la reducida contribución de las pérdidas de conmutación a las pérdidas de potencia globales. El GaN también mitiga uno de los principales inconvenientes del uso de CCM al eliminar las pérdidas de recuperación y reducir la EMI, ya que el GaN no experimenta recuperación inversa. El funcionamiento CCM con control de tiempo de desconexión fijo también facilita la compensación de la dependencia de la corriente de salida de VOUT. Está claro que la implementación de interruptores de GaN utilizando CCM es una gran combinación para aplicaciones de iluminación LED de alto voltaje, así como para muchas otras.
El esquema básico de una topología reductora inversa se muestra en la Figura 2 junto con una implementación que utiliza el MASTERGAN4.
Figura 2: Topología reductora inversa implementada con MASTERGAN4. (Fuente de la imagen: STMicroelectronics)
MASTERGAN4 incorpora dos transistores GaN de 225 mΩ (típicos a 25 °C) de 650 V en configuración de medio puente, un controlador de puerta de medio puente dedicado y el diodo de arranque. Este alto nivel de integración simplifica el diseño y minimiza el área de la placa de circuito impreso en un pequeño paquete QFN de 9×9 mm. La placa de evaluación que se muestra en la Figura 3, fue diseñada con el MASTERGAN4 en una topología reductora inversa tiene las siguientes especificaciones: acepta hasta 450 V de entrada, el voltaje de salida de la cadena de LED puede ser ajustado entre 100 V y 370 V; opera en CCM de tiempo fijo (FOT) con una frecuencia de conmutación de 70 kHz; la corriente máxima de salida es de 1 A.
Figura 3: Ejemplo de demostración de reductor inverso con MASTERGaN4. (Fuente de la imagen: STMicroelectronics)
El controlador de esta solución, el HVLED002, se utiliza para generar una única señal de control PWM. A continuación, se utiliza un circuito externo basado en simples disparadores de Schmitt para generar dos señales complementarias para accionar los transistores de GaN del lado bajo y del lado alto con un tiempo muerto adecuado. También se incluyen dos reguladores lineales para generar las tensiones de alimentación que necesita el MASTERGAN4. La topología reductora inversa implementada con MASTERGAN4 crea una solución para aumentar la densidad de potencia y la eficiencia, pero dejemos que los resultados comentados a continuación hablen por sí mismos.
Resultados experimentales:
Los gráficos de eficiencia de la figura 4 muestran las ventajas de la solución propuesta frente a una solución tradicional de silicio en función de la tensión de la cadena de LED para corrientes de salida de 0.5 A y 1 A.
Figura 4: Eficiencia frente a la tensión del LED para el MOSFET de MasterGaN y de Silicio. (Fuente de la imagen: STMicroelectronics)
La eficiencia de MASTERGAN4 se mantiene en o por encima del 96,8% en todo el rango de tensión de la cadena de LED. Se puede observar que en todos los niveles de potencia la ganancia de eficiencia se maximiza gracias a las bajas pérdidas de conducción, así como a las mínimas pérdidas de conducción y conmutación de la solución de GaN.
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Tabla 1: Comparación del tamaño del MOSFET de GaN y de Silicio
La Tabla 1 compara la solución de silicio con la solución basada en MASTERGAN4. Como se puede ver, se muestra una reducción de más del 30% del área total de la PCB con la implementación del diseño de GaN. Los resultados muestran un camino que se puede tomar con el GaN en esta topología reductora inversa. El aumento de la frecuencia de conmutación por encima de 70 kHz puede reducir el tamaño del inductor de salida y del condensador a costa de mayores pérdidas de conducción y conmutación. Con una frecuencia más alta y un tamaño de filtro reducido, los condensadores electrolíticos pueden sustituirse por condensadores cerámicos más fiables y de mayor tamaño. El equilibrio entre el condensador de filtro y el tamaño del inductor reductor puede optimizarse en función de la frecuencia de conmutación requerida por la aplicación de destino.
Conclusiones
En este artículo se analiza la implementación de una topología reductora inversa para aplicaciones de iluminación LED basada en MASTERGAN4. El sistema en configuración de paquete tiene transistores GaN de 650 V y 225 mΩ en configuración de medio puente y controladores de puerta dedicados. La solución de GaN frente a la de silicio muestra una mayor eficiencia y una menor superficie de PCB. MasterGaN es la solución ideal para una implementación reductora inversa compacta, de alta eficiencia y potencia para aplicaciones de iluminación.
